一种基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115097870A(43)申请公布日2022.09.23(21)申请号202210754592.0(22)申请日2022.06.29(71)申请人中国人民解放军空军工程大学航空机务士官学校地址464000河南省信阳市航空路23号(72)发明人廖开俊钱坤刘聪朱宇杨宇超辛公彩张宏宇(74)专利代理机构郑州银河专利代理有限公司41158专利代理师刘丽娜(51)Int.Cl.G05D1/12(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图7页(54)发明名称一种基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法(57)摘要本发明提供一种基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法，包括数字高程地图转化、初始航迹加载、航迹预规划和航迹重规划。采用本发明方案，进行无人机避障航迹规划，可以在执行低空飞行任务时，充分的考虑地形起伏变化的因素，以实现贴地飞行的目的；与此同时，本方案先进行离线航迹预规划，将规划好的航迹上传给飞控，以为其提供飞行导引，很好的解决了实时性不高的问题；当预规划的航迹上出现障碍物或威胁区时，本方案提供的方法，能够在障碍物的形状比较复杂的情况下找到障碍物的顶点，处理障碍物的重叠问题，从而快速的规划出一条飞行路径。CN115097870ACN115097870A权利要求书1/3页1.一种基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、加载数字高程地图；S2、将地图数据转换成图片；S3、加载初始航迹点；S4、提取骨架图中的关键节点和关键路径；S5、利用A*算法生成最优航迹；S6、判断步骤5生成的最优航迹上是否存在障碍物或威胁区，如果存在则执行步骤S7，否则执行步骤S13；S7、连接所有航迹点，利用基于并查集思想的算法进行二值图像障碍物连通区域的判断，提取连通区域的边界；S8、判断路径是否和障碍物相交，若相交，则执行步骤S9；否则，起点和终点即为路径点，执行步骤S13；S9、记录下与障碍物的相交次序和交点，在相邻两个障碍物的中间加入参考节点；S10、计算局部路径；S11、判断两两路径点连线是否与障碍物相交，若相交，则返回步骤S9；否则，生成一段局部路径；S12、判断各个局部路径是否完成路径规划，若所有局部路径计算完成，则执行步骤S13；否则，返回步骤S10；S13、删除多余的航迹点，将所得到的路径点按次序依次输出；S14、输出最优避障航迹。2.如权利要求1所述的基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法，其特征在于：数字高程地图是以hgt格式存储的文件，一个文件包含一个经度一个纬度范围内的高程数据，包含采样点1201*1201个，文件名称代表该数据单元左下角的位置信息，数据精度为90米。3.如权利要求2所述的基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法，其特征在于：将地图数据转换成*.bmp格式的图片，bmp格式图片中的点的像素数值表示了图像的数据区域，其扫描方式是从左到右，从上到下的顺序，在此部分记录着每点像素对应的颜色号，其记录方式也随颜色模式而定，在2色图像中每个点占1位，在16色图像中每个点占4位，8位为1字节；整个数据区域的大小与图像的颜色相关，计算公式：图像数据信息大小＝(图像宽度*图像高度*记录像素的位数)/8，在数字地图存储的时候将地形坡度转换成不同颜色号记录在图像中。4.如权利要求3所述的基于数字高程地图的无人机避障航迹规划方法，其特征在于：数字地图转换方法如下：步骤a、计算各点的梯度，得到与原始数字地图大小一样的梯度图，梯度表示的是地表曲面东西方向上的高度差与南北方向上的高度差的变化情况，是数据高程模型的一阶导数，其计算方法如下：式中：P——地形梯度；2CN115097870A权利要求书2/3页f(x)——x方向的高程变化率；f(y)——y方向的高程变化率；所述的f(x)，f(y)的计算方法如下：利用三阶反距离平方权差分计算f(x)、f(y)，所述算法公式如下：式中，(Z1,…,Z9)表示各顶点的高程值，l表示栅格间水平方向或垂直方向的距离；步骤b、采用阈值分割法对梯度图进行图像分割处理，分割处理后，各点值为0或1，得到对应的二值图，值为1的点表示山谷或较为平坦的地形，值为0的点表示陡峭的山脊地形，阈值分割法如下：式中，(x,y)为二维数字图像的平面坐标，f(x,y)为坐标点(x,y)上的像素点的灰度级，t为分隔阈值；步骤c、去除值为1的噪声点，检测每个值为1的点，如果该点在一个连通区域中，并且连通区域值为1的点的个数小于常数a，则认为这个连通区域是山顶小块平地或山脊小块平坦地形，这个点所在的连通区域就是噪声，直接删除，并将其赋值为0；步骤d、采用逐次消去目标边界点的迭代细化算法将二值图进行骨架化处理。5.如权利要求4所述的基于数字高程地图