一种复杂多边形测区下的多旋翼无人机测绘航线规划方法与流程

本发明属于低空测绘无人机航线规划的技术领域，具体涉及一种复杂多边形测区下的多旋翼无人机测绘航线规划方法，可广泛应用于地形勘探、农业植保、目标搜索等领域。

背景技术：

旋翼无人机测绘任务包括在地图上对测区进行选取，根据测区形状和影像参数要求对飞行航线和曝光点进行规划，地面站监控无人机执行飞行航摄任务，利用控制点和特征点拼接影像获取大比例尺遥感地图。而任务的高质量性体现在执行时间的长短、能源损耗的多少、成图精度的高低等方面。因此，旋翼无人机测绘航线的规划在整个测绘任务中发挥着十分重要的作用。现有的测绘型无人机可以搭载具有定轴云台的高分辨率相机，能基本保证在无人机转弯或受干扰的条件下依然保持正摄获取测区的高清影像。因此，对测绘无人机航线规划的研究主要是在满足影像分辨率和重叠度的要求下，提出一种耗时短、能耗小、实现简单的规划方案。

在国内外学者现阶段的研究中，面向区域全覆盖的无人机的航线规划算法主要有以下几种：1、牛耕法：航向垂直于测区宽度进行往复式的敷设。此法对于多边形测区能达到转弯次数最少的效果，但对于异形测区将产生大量冗余覆盖区域，并非一种合理的方案。2、梯形单元分解法：利用某一方向的一组平行线将测区划分为多个梯形或三角形的子测区，使得子测区的宽度和最小，再依次规划子区域的航线，采用贪婪策略，以当前调度航线最短为依据连接各子航线。此法对于测区中含有禁飞区时效果良好，但对于形状复杂、凹点较多的测区，将带来过度划分问题，产生大量调度航线，降低算法性能。3、栅格法：将测区划分成单张像幅能够完全覆盖的栅格，以距离最近的未被覆盖的栅格作为下一航摄点，即按照机器人区域遍历搜索的方式完成航线规划。此法能够保证测区的有效全覆盖，但在航带平均长度即航线转弯次数方面往往不具有高效性。

此外，在测区凸划分的基础上，为了减少无人机的转弯机动和调度航程，有研究人员提出了子区域航线合并的方法：首先根据相邻子区域的两航向角与公共边的方向角之间的差异程度确定两者是否能够合并，若某一航向角与方向角相差不大则无法合并；其次，对于可以合并的相邻子区域，确定公共边两侧航带的配对关系，并在相交处完成衔接，以此减少合并前公共边处的转弯次数。但此法会在航带衔接处带来死角区域，出现覆盖遗漏的现象，将直接影响到搜索置信度或测绘成图精度，难以满足要求高的航摄任务。还有学者研究了基于测区划分的多无人机协同航线规划方法，在显著提升了作业效率。但其技术难点在于需要解决多无人机通讯问题，以保障无人机的航行安全和减少多机重复覆盖。特别的，多机作业也需要以单架次无人机的航线规划为基础。因此，研究一种面向不规则多边形测区的高性能的单架次无人机航线规划方案是十分必要的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种复杂多边形测区下的多旋翼无人机测绘航线规划方法，能够在复杂多边形测区下规划出较小的冗余覆盖率以及较少的转弯次数的航线。

实现本发明的技术方案如下：

一种复杂多边形测区下的多旋翼无人机测绘航线规划方法，包括以下步骤：

步骤一、以无人机的起飞位置作为初始位置，以距离初始位置最近的待测区域的凸点作为首条航带的起点参考点，从起点参考点出发，沿较长邻边方向的下一个凸点作为终点参考点，起点参考点至终点参考点之间的较短的沿线边界作为首条航带参考边，将首条航带参考边向测区内缩进半个航带间距作为首条航带轨迹，将首条航带参考边向侧区内缩进一个航带间距作为待测区域的新边界，首条航带的起点和终点以恰好能够覆盖新边界和首条航带参考边内的两端测区为原则来进行确定，无人机飞至首条航带的起点，沿首条航带轨迹拍摄作业；

步骤二、以首条航线的终点更新无人机的初始位置，根据新边界得到新的待测区域，确定待测区域是否被分割为多个子区域，若未被分割，则按照步骤一的规划方法规划下一条航线，直至拍摄完成所有待测区域；若待测区域被分割为多个子区域，则确定子区域的边界，选择距离无人机初始位置最近的子区域作为下一个待测区域，按照步骤一的规划方法规划下一个待测区域内的航线，直至拍摄完成所有子区域。

进一步地，步骤二中，确定待测区域是否被分割为多个子区域具体为：

在不计入新边界的起点和终点的情况下，计算新边界与多边形剩余边界的交点情况。若无交点，则待测区域未被分割，仅有一个剩余待测区域；若有交点，则待测区域被分割为多个子区域，且交点必定成对出现，每出现一对交点，待测区域就多划分出一个子区域。

进一步地，步骤二中，确定子区域的边界具体为：

根据所得的新边界与多边形剩余边界的交点划分子区域，每一个交点即为子区域的一个顶点，以相邻两交点截取的新边界线段与原有的多边形剩余边界所围成的区域视作一个子区域。

有益效果

本发明能够解决多旋翼无人机在任意形状多边形测区下的摄影航线规划问题，与现有技术相比的具有以下显著优点：无需考虑不规则多边形测区的划分问题以及子区域调度航线的优化问题，并能在保证测区被有效全覆盖的前提下，具有冗余覆盖面积小、航线总长度短的优点。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为无人机位置到测区各顶点距离的示意图。

图3为目标测区被当前所规划航带全覆盖的示意图。

图4为生成未覆盖子区域的示意图。

图5为本发明实施例完整摄影航线的规划效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提出了一种复杂多边形测区下的多旋翼无人机测绘航线规划方法，相比于上述传统方法，本方案具有较小的冗余覆盖率以及较少的转弯次数。其实现方法主要分为单条航带的规划和剩余未覆盖测区的更新两个部分：首先根据无人机位置和待覆盖测区进行单条航带的规划，获取当前状态下的航带最长的一对航带点，然后考虑该航带的有效覆盖区域，更新剩余未覆盖区域并将其视为一个或一组新的测区，同时更新无人机位置为该航带的末航点，以此进行下一条航带的规划，直至完成对全测区的覆盖。

如图1为本实施例的实现流程图，本实施例包括以下步骤：

步骤一、以无人机的起飞位置作为初始位置，以距离初始位置最近的待测区域的凸点作为首条航带的起点参考点，从起点参考点出发，沿较长邻边方向的下一个凸点作为终点参考点，起点参考点至终点参考点之间的较短的沿线边界作为首条航带参考边，将首条航带参考边向测区内缩进半个航带间距作为首条航带轨迹，将首条航带参考边向侧区内缩进一个航带间距作为待测区域的新边界，首条航带的起点和终点以恰好能够覆盖新边界和首条航带参考边内的两端测区为原则来进行确定，无人机飞至首条航带的起点，沿首条航带轨迹拍摄作业；

其中，步骤一具体为：

s1、如图2所示，以无人机当前位置cpt为初始位置，计算待测区域各凸顶点与无人机当前位置的距离，找到最短距离对应的凸点，以该凸点作为航带的起点参考点，进行下一步的航迹规划，图2中距离最短的点为vk。

s2、从起点参考点出发，沿较长邻边方向的下一个凸点作为终点参考点，起点参考点至终点参考点之间的较短的沿线边界作为首条航带参考边，将首条航带参考边向测区内缩进一个航带间距作为首条航带的另一侧边界，称之为新边界；首条航带的起点和终点以恰好能够覆盖航带内的两端测区为原则来进行确定，航带的有效覆盖范围和航向边界如图3所示。无人机飞至首条航带的起点，沿首条航带轨迹拍摄作业；

步骤二、更新无人机的初始位置，判断航线规划任务是否完成；若未完成，判断剩余测区是否被分割为多个子区域，若未被分割，则跳转到步骤一进行规划；若待测区域被分割为多个子区域，则确定子区域的边界，选择距离无人机初始位置最近的子区域作为下一个待测区域，然后跳转到步骤一规划下一个待测区域内的航线，直至拍摄完成所有子区域。

其中，步骤二具体为：

s1、判断航线规划任务是否完成。一条航带规划完成后，检测多边形是否还存在位于已覆盖测区外的顶点：若无，则航线规划任务完成；若有，则需要进行下一步继续规划航线。

s2、判断剩余测区是否被分割为多个子区域。在不计入新边界的起点和终点的情况下，计算新边界与多边形剩余边界的交点情况。若无交点，则待测区域未被分割，仅有一个剩余待测区域；若有交点，则待测区域被分割为多个子区域，且交点必定成对出现，每出现一对交点，待测区域就多划分出一个子区域。如图4所示，除了新边界的起点和终点，新边界与多边形剩余边界还有一对交点，即待测区域多划分出了一个子区域，待覆盖测区数量变为2个。

s3、根据s2的判断结果，若只有一个待测区域，则跳转到步骤一继续进行航带规划。若有多个待测子区域，则继续进行下一步。

s4、确定子区域的边界。根据新边界与多边形剩余边界的所有交点划分子区域，每一个交点即为子区域的一个顶点，以相邻两交点截取的新边界线段与原有的多边形剩余边界所围成的区域视作一个子区域。如图4所示，四个交点与多边形剩余的两个边界构成了两个子区域的边界，生成待覆盖测区1和待覆盖测区2两个子区域。

s5、计算所有子区域到无人机当前位置的距离，选择最近的子区域作为下一个待测区域。并跳转至步骤一进行下一个待测区域内的航线规划。

图5展示了实施例测区航带规划完成后，测绘区域的摄影航线的完整航路。

综上所述，以上内容仅为本发明优选的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。