针对搜寻任务的无人机阵列实时路径生成方法

本发明属于路径生成领域，具体涉及了一种针对搜寻任务的无人机阵列实时路径生成方法。

背景技术：

1、随着电子产业的飞速发展和社会的高度信息化，无人机在众多领域都有了广泛的应用。近些年来，地质灾害频发，每次事件均需要耗费大量的人力进行搜寻，损耗巨大，且由于人员收到身高限制导致视野受限，导致搜索效率不足。

2、现有技术中将无人机应用于搜寻任务，由于现场环境复杂且由于地质灾害引发的环境变化使得预先录入的环境模型与实际现场的环境存在出入，使得只能通过专业技术人员通过遥控操作的方式控制单个无人机进行搜寻。依照现有技术想要将无人机技术应用于搜寻、搜救任务存在两大难点。第一，通过人工遥控操作无人机进行搜寻一次只能操作一架无人机，一个人无法同时控制多架无人机进行范围搜索，导致搜寻效率难以提高；第二，现有的无人机路径生成技术通常需要基于精确的明确的环境模型才能够进行寻路，而在地质灾害发生后环境模型通常会与预先存储生成的环境模型产生较大区别，通过现有环境模型已经难以构建精确的搜救路径。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有的无人机技术由于环境适应性不足难以准确高效应用于搜寻任务的问题，本发明提供了一种针对搜寻任务的无人机阵列实时路径生成方法，所述方法包括：

2、步骤s100，预先基于卫星图像和深度图像构建原始环境模型，并存入环境数据库；其中原始环境模型为包含了基础威胁源的空间栅格模型，根据栅格至威胁源的距离设置栅格威胁值；

3、步骤s200，选取参与当前任务的无人机数量和第一阵列的形状，将参与当前任务的无人机设定为第一阵列，基于所述第一阵列选取一个定位基准点和设置基准安全区域，在原始环境模型中设置定位基准点的寻路起点和寻路终点，所述寻路终点为搜寻区域的起点；

4、步骤s300，基于所述定位基准点和设置基准安全区域，计算定位基准点的安全半径 r，基于安全半径 r计算回避触发距离，表示定位基准点到基础威胁源的表面的距离；

5、步骤s400，基于所述回避触发距离和栅格威胁值，以路径长度最短和威胁值最低原则构建代价函数；

6、步骤s500，基于寻路起点、寻路终点和代价函数，生成无人机阵列的第一搜寻路径和多个备选第一搜寻路径，并根据每个无人机相对于定位基准点的偏移量获取每个无人机的独立第一搜寻路径和独立备选第一搜寻路径；所述第一搜寻路径具体为先将无人机阵列抬升至安全平面，在安全平面上移动至寻路终点位置对应的位置后，降低到寻路终点位置；

7、步骤s600，第一阵列的无人机依照第一搜寻路径执行飞行，并通过处于第一阵列边缘的无人机搜索未知威胁；

8、步骤s700，判断第一阵列无人机是否会与未知威胁发生碰撞，如果会发生碰撞，则估计碰撞的威胁响应时间，根据威胁响应时间和未知威胁的动静状态选择重新规划第二搜寻路径或选取备选第一搜寻路径；若不会发生碰撞则第一阵列依照第一搜寻路径继续运行；

9、步骤s800，若第一阵列依照第一搜寻路径运行的过程中未发现搜寻目标，第一阵列的无人机到达寻路终点后，按照设定的巡回搜寻方案将第一阵列的无人机分为多个第二阵列，每个第二阵列依照设定的区域搜寻路线完成分布式搜寻。

10、在一些优选的实施方式中，所述代价函数，具体为：

11、；

12、 ；

13、其中，表示第 m条第一搜寻路径的路径代价，为第条第一搜寻路径的路径代价，表示对满足条件的变量求最小值，表示的第 i条子路径的路径长度，表示包含的第类威胁代价，为回避触发距离表示无人机阵列边缘到威胁的距离，表示路径代价权重、表示第类威胁代价权重，表示无人机群路径满足的飞行条件集合；

14、其中，路径代价权重和威胁代价权重满足：

15、。

16、在一些优选的实施方式中，所述步骤s700，具体包括：

17、步骤s710，判断所述未知威胁与第一搜寻路径是否存在重叠区域；

18、若不存在重叠区域则判定为不会发生碰撞，第一阵列依照第一搜寻路径继续运行，回到步骤s600；

19、若存在重叠区域则判定为会发生碰撞，进入步骤s720；

20、步骤s720，分析第一阵列应对未知威胁的响应因子；

21、所述响应因子包括响应时效因子、响应信号稳定因子、动静状态响应因子和响应复杂度因子；

22、所述响应时效因子，具体为：基于第一阵列的第一搜寻路径、全局规划时长、第一阵列到达重叠区域的预估碰撞时间和第一搜寻路径中的剩余路径，确定响应时效因子：当时，设置响应时效因子为0，当时，设置响应时效因子为1；

23、所述响应信号稳定因子，具体为：确定发现位置威胁时刻的信号安全概率；基于重叠区域的位置和第一阵列的飞行速度，估计第一阵列到达重叠区域的预估碰撞时间进而确定预估碰撞时间的信号安全概率；根据所述发现位置威胁时刻的信号安全概率和预估碰撞时间的信号安全概率确定信号稳定因子：若设置响应信号稳定因子为0；若设置响应信号稳定因子为1；

24、所述动静状态响应因子，具体为：判断未知威胁为运动物体还是静止物体，若未知威胁为静止物体则设置动静状态响应因子为0；若未知威胁为运动物体则设置动静状态响应因子为1；

25、所述响应复杂度因子，具体为：若未知威胁为独立的单个威胁，设置响应复杂度因子为0；

26、若未知威胁为多个联合的威胁，根据进一步将响应复杂度因子设置为1或2：

27、步骤a01，判断第一阵列是否能够整体穿越所述多个联合的威胁：将两个相邻的重叠区域或重叠区域与基础威胁源记为威胁点对，若威胁点对之间的距离小于第一阵列的定位基准点的安全半径 r的2倍，则判定第一阵列不能够整体穿越所述威胁点对，第一阵列不能够整体穿越的威胁点对设置为碰撞点对；若威胁点对之间的距离大于或等于第一阵列的定位基准点的安全半径 r的2倍，则判定第一阵列能够整体穿越所述威胁点对；

28、步骤a02，若碰撞点对的数量大于威胁点对的数量的一半，则设置响应复杂度因子为2；若碰撞点对的数量小于或等于威胁点对的数量的一半，则设置响应复杂度因子为1；

29、若响应复杂度因子为2，将碰撞点对对应的未知威胁或未知威胁与基础威胁源拟合为组合威胁源，以组合威胁源的最小体积外接规则几何体替换原未知威胁；所述规则几何体包括球体、圆柱体、圆台、方体和三角体中的一种；

30、步骤s730，根据所述响应时效因子和响应信号稳定因子设置局部路径决策标识符：若响应时效因子为0，响应信号稳定因子为0，则设置局部路径决策标识符为-2；若响应时效因子为0，响应信号稳定因子为1，则设置局部路径决策标识符为0；若响应时效因子为1，响应信号稳定因子为0，则设置局部路径决策标识符为-1；若响应时效因子为1，响应信号稳定因子为1，则设置局部路径决策标识符为1；

31、步骤s740，基于所述响应因子和局部路径决策标识符，进行路径重规划，获取第二路径，具体包括：

32、步骤s740a，动静状态响应因子为0时，执行第一模式进行第一阵列动态路径调整及威胁信息回传；

33、所述第一模式，具体包括：

34、基于未知威胁的体积、第一阵列的外接球区域和第一阵列的第一搜寻路径，将未知威胁分为局部威胁源或全局威胁源；

35、若未知威胁为局部威胁源，依据第一搜寻路径与所述重叠区域将第一阵列划分为2个以上的第一子阵列，将第一搜寻路径中存在重叠区域的第一子阵列设定为威胁区无人机子阵列，对威胁区无人机子阵列进行第一自适应局部动态路径调整；

36、若未知威胁为全局威胁源，对第一阵列进行第一自适应局部动态路径调整；

37、所述第一自适应局部动态路径调整，具体包括：

38、基于所述局部路径决策标识符，从预存的路径规划算法中选取与局部路径决策标识符对应的路径调整算法；若局部路径决策标识符为-2，判定搜索到未知威胁到作出反应的应对时间充足，在应对时间内信号稳定，无人机端将未知威胁的信息回传至控制中心，由控制中心选取最佳路径生成算法重新生成多条局部调整的全局路径，并从局部调整的全局路径中选取威胁值最小的作为第一自适应局部动态路径调整结果；

39、若局部路径决策标识符为-1，判定搜索到未知威胁到作出反应的应对时间不充足，且在应对时间内信号稳定，无人机端将未知威胁的信息回传至控制中心，由控制中心选取低复杂度路径生成算法重新生成第一搜寻路径作为第一自适应局部动态路径调整结果；

40、若局部路径决策标识符为1，判定搜索到未知威胁到作出反应的应对时间不充足，且在应对时间内信号不稳定，无人机端则针对未知威胁进行快速局部路径规划，并在与未知威胁保持安全距离模型下回到原第一搜寻路径作为第一自适应局部动态路径调整结果；

41、若局部路径决策标识符为0，判定搜索到未收录威胁到作出反应的应对时间充足，但在对应时间内信号不稳定，无人机端判断各无人机群的备选第一搜寻路径是否会与未知威胁发生碰撞，将不会发生碰撞的无人机群的备选第一搜寻路径选为部动态路径调整结果；若将发生碰撞，则无人机端针对未收录威胁进行快速局部路径规划，并在与未收录威胁保持安全距离模型下回到原第一搜寻路径作为第一自适应局部动态路径调整结果；

42、步骤s740b，动静状态响应因子为1时，执行第二模式进行第一阵列动态路径调整及威胁信息回传；

43、判断未知威胁是否为搜寻目标；

44、若未知威胁不是搜寻目标，记录未知威胁的体积和预估设定时段运动轨迹，将位置威胁的运动轨迹整体拟合为新的静止物体，设置动静状态响应因子为0，重新开始步骤s740；

45、若未知威胁为搜寻目标，判断所述搜寻目标的分散性；若搜寻目标不具备分散性，将搜寻目标的位置设置为新的寻路终点，回到步骤s500；

46、若搜寻目标具备分散性，则将第一阵列的无人机根据搜寻目标的数量分为多个第三阵列，将第三阵列替换所述第一阵列，分别回到步骤s300。

47、在一些优选的实施方式中，所述快速局部路径规划，具体包括:

48、基于第一搜寻路径中的剩余路径和重叠区域进行拟合，获取撞击后的安全点位置；

49、以第一阵列的飞行方向和无人机最大垂直俯仰角方向分别做第一直线和第二直线，第一直线和第二直线为位置威胁的几何边界，过所述重叠区域的碰撞点位置和撞击后的安全点位置做第三直线，第三直线与第一直线相交的点、第三直线与第二直线相交的点为虚拟撞击点，选取虚拟撞击点最小长度的劣弧作为初始新路径；

50、以第一阵列的安全半径 r为虚拟外接圆半径，以初始新路径的外切圆的外切轨迹做连续的多个虚拟外接圆，以多个虚拟外接圆的圆心连线作为第一自适应局部动态路径调整结果。

51、在一些优选的实施方式中，所述基于所述第一阵列选取一个定位基准点和设置基准安全区域，包括：

52、选取基准安全区域的形状为第一阵列的外接球区域，以外接球区域的形心设定为定位基准点；

53、基于第一阵列中的各无人机的位置，通过微积分计算第一阵列的外接球区域并确定形心：

54、其中，表示第一阵列的形心坐标； x、 y和 z表示第一阵列求取形心的 x轴坐标、 y轴坐标和 z轴坐标； v表示第一阵列的外接球区域。

55、在一些优选的实施方式中，所述步骤s500，具体包括：

56、设定为第一搜寻路径的第 i段子路径，设定

57、为的起点坐标，为的终点坐标，第一阵列的第 k个无人机与第一阵列的基准点的位置关系为，其中表示第 k个无人机与第一阵列的基准点的位置偏移常量关系；第一阵列的第 k个无人机的第 i段子路径的起点的坐标为；第一阵列的第 k个无人机的第 i段子路径的终点的坐标为；

58、其中， a 0、 b 0和 c 0为起点坐标在 x轴、 y轴和 z轴方向的坐标； a 1、 b 1和 c 1，为终点坐标在 x轴、 y轴和 z轴方向的坐标。

59、在一些优选的方式中，在搜索到未知威胁之前，保持各无人机在第一阵列中的相对位置不变。

60、在一些优选的方式中，所述原始环境模型为包含了基础威胁源的空间栅格模型，根据栅格至威胁源的距离设置栅格威胁值，具体为：

61、获取第一阵列的最小飞行距离和划分常量 consta的乘积作为空间栅格模型的栅格尺寸，通过检测装置获取每个空间栅格的威胁值；

62、根据各个栅格的威胁值，计算各个高度层的威胁值：

63、；

64、其中，

65、选定为定位基准点的飞行高度记为安全平面所在高度；

66、其中，为空间栅格模型第 u行第 v列第 n层栅格， n表示高度层 n的层数， arcmin表示先取符合条件的最小值然后获取最小值对应的下角标

67、本发明的有益效果：

68、（1）本发明通过在检测到未知威胁时判断预计发生碰撞的时间，进而推测发生碰撞的位置的信号稳定程度，对静态、动态的未知威胁采取不同的控制手段，能够高效地应对多种情况的搜寻场景。

69、（2）本发明通过设置无人机阵列拆分的机制，将无人机阵列中的无人机分为收到威胁影响的子阵列和不受威胁影响的子阵列，最小程度的调整路径并在安全位置进行汇合，避免了无人机阵列体积过大而引入的明明可以有序避开威胁源却无法生成合理路径的问题。

70、（3）本发明通过设置定位基准点和设置基准安全区域，按照第一搜寻路径执行飞行，并实时搜索未知威胁，根据响应时效因子、响应信号稳定因子、动静状态响应因子和响应复杂度因子进行全面分析，保持了较低的计算符合，又保障了生成路径的合理性。

71、（4）本发明针对不同的未知威胁分析结果采用多种针对性的自适应局部路径调整方式，在不同的情况合理应用了当前资源，提高了路径生成的效率和适应性。