CN106092083B - 一种无人机路径规划管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机路径规划管理系统及方法，涉及无人机路径管理和续航充电控制领域，可根据无人机的起始地、目的地、续航能力及充电站点等信息，自动为无人机规划航线路线，自动为无人机寻找最优的续航充电站点，以保证无人机能高效地从起始地到达目的地。本发明可实现只需用户为无人机设定起始地位置信息和目的地位置信息，系统即可自动为其进行路径规划，并给出路径导航信息。
Description
技术领域
本发明涉及无人机导航控制领域，尤其是一种无人机路径规划管理系统及方法。
背景技术
随着无人机行业的快速发展，无人机正日益广泛地应用于人们的生产生活之中，目前旋翼无人机主要采用电力作为动力，而无人机续航充电的方式一般为以下几种：
① 在无人机本体上设计充电接口，人工接入充电器完成无人机的充电工作，采用该方案的无人机应用范围和应用方式受限；
② 直接更换无人机的电池，以实现快速“充电”，而换下的电池通过专门的充电器进行充电，而该方式也虽相对于上一方案，效率有很大的提高，但其应用范围和应用方式仍有限制。
③ 控制无人机停靠至专门的充电平台，自动对无人机进行充电，该种方式无需人工监管，自动化程度高，适用于长途和高工作频率的应用环境。
而在充电平台的发展同时，为进一步提高自动化程度，亟需一种无需人工设定导航路径、无需人工控制其续航充电的无人机管理系统或管理方法。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供了一种无人机路径规划管理系统，还提出了一种无人机路径规划管理方法，可根据设定起始地位置信息和目的地位置信息，自动为无人机进行路径规划，并给出路径导航信息。
本发明采用的技术方案如下：本发明提出了一种无人机路径规划管理系统，所述系统包括以下单元。
定位管理单元，用于获取无人机的起始地位置信息、该无人机的一个或多个目的地位置信息及充电站点的位置信息。
地图管理单元，用于获取地图和基于该地图的道路路径信息。
路径预设定单元，根据起始地位置信息和目的地位置信息设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为预设路径。
续航能力计算单元，获取该无人机的预设飞行速度及可持续飞行时间，计算该无人机的最大飞行距离，并将其与预设路径的路程作比较，若预设路径的路程大于该最大飞行距离，则输出续航充电请求。
充电站点扫描单元，获取续航充电请求后，定位该无人机的最大飞行距离在预设路径上的位置，并记为第一位置，将起始地位置和第一位置之间的连接线记为扫描线，将起始地位置和目的地位置记为参考线，以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向参考线作第一扇形区域扫描，扫描该第一扇形区域内所有的充电站点，将该扫描出的充电站点记为集合Q1。
路径规划单元，在集合Q1中指定一个充电站点为第一续航站点，并根据起始地位置和该第一续航站点的位置设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为第一路径。
导航路径生成单元，将该第一续航站点作为新的起始地，继续通过路径预设定单元计算出第二个预设路径，通过续航能力计算单元判断该无人机是否还需发出第二次续航充电请求，通过充电站点扫描单元扫描出新的充电站点集合Q2，路径规划单元再规划出新的导航路径作为第二路径，直到计算出第N个预设路径、发出第N此续航充电请求、扫描到集合QN、规划出第N路径，以使在第N路径时，无人机完成从最初的起始地至目的地的路径规划，其中N为正整数，将第一路径、第二路径至第N路径之和生成为导航规划路径，并发送给无人机。
基于上述实施例，进一步的，所述第一扇形区域的圆心角为扫描线和参考线之间的夹角的两倍。
基于上述实施例，进一步的，所述路径规划单元确定续航站点时，可采用以下两种方式中的一种。
方式一，所述路径规划单元计算集合QN中各个充电站点至参考线的垂直距离，选择垂直距离最小的充电站作为第N续航站点。
方式二，所述路径规划单元通过方式2，按集合QN中各个充电站点被扫描到的时间先后顺序，依次计算第N次起始地至各个充电站点的导航路径，并将其中路程最短的导航路径作为第N路径。
基于上述实施例，进一步的，若集合QN中的充电站点数量为零，则充电站点扫描单元以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向远离参考线的方向作第二扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，从第一位置处开始向靠近参考线的方向作第三扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，比较第二扇形区域和第三扇形区域的圆心角的大小，将较小者区域内的充电站点设为第N续航站点。
本发明还提出了一种无人机路径规划管理方法，所述方法包括以下多个步骤：
S1，获取无人机的起始地位置信息、该无人机的一个或多个目的地位置信息及充电站点的位置信息；
S2，获取地图和基于该地图的道路路径信息；
S3，根据起始地位置信息和目的地位置信息设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为预设路径；
S4，获取该无人机的预设飞行速度及可持续飞行时间，计算该无人机的最大飞行距离，并将其与预设路径的路程作比较，若预设路径的路程小于该最大飞行距离，则将S3中的预设路径作为导航规划路径发送给无人机；
S5，若预设路径的路程大于该最大飞行距离，则定位该无人机的最大飞行距离在预设路径上的位置，并记为第一位置，将起始地位置和第一位置之间的连接线记为扫描线，将起始地位置和目的地位置记为参考线，以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向参考线作第一扇形区域扫描，扫描该第一扇形区域内所有的充电站点，将该扫描出的充电站点记为集合Q1；
S6，在集合Q1中指定一个充电站点为第一续航站点，并根据起始地位置和该第一续航站点的位置设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为第一路径；
S7，将该第一续航站点作为新的起始地，通过S3计算出第二个预设路径，通过S4判断该无人机是否还需续航，通过S5扫描出新的充电站点集合Q2， 通过S6再规划出新的导航路径作为第二路径，重复执行S3-S6，直到计算出第N个预设路径、扫描到集合QN、规划出第N路径，以使在第N路径时，无人机无需续航即可到达目的地，其中N为正整数；
S8，将第一路径、第二路径至第N路径之和生成为导航规划路径，并发送给无人机。
基于上述方法实施例，进一步的，所述第一扇形区域的圆心角为扫描线和参考线之间的夹角的两倍。
基于上述方法实施例，进一步的，确定第N续航站点时，可计算集合QN中各个充电站点至参考线的垂直距离，选择垂直距离最小的充电站作为第N续航站点，以此来确定出第N路径。
或者，在确定第N路径时，按集合QN中各个充电站点被扫描到的时间先后顺序，依次计算第N次起始地至各个充电站点的导航路径，并将其中路程最短的导航路径作为第N路径。
基于上述方法实施例，进一步的，若集合QN中的充电站点数量为零，则充电站点扫描单元以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向远离参考线的方向作第二扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，从第一位置处开始向靠近参考线的方向作第三扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，比较第二扇形区域和第三扇形区域的圆心角的大小，将较小者区域内的充电站点设为第N续航站点。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明所提出的无人机路径规划管理系统或方法，可根据无人机的起始地、目的地、续航能力及充电站点等信息，自动为无人机规划航线路线，自动为无人机寻找最优的续航充电站点，以保证无人机能高效地从起始地到达目的地。
本发明可实现只需用户为无人机设定起始地位置信息和目的地位置信息，系统即可自动为其进行路径规划，并给出路径导航信息。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明中无人机的路径规划管理系统的系统框图；
图2为本发明中路径规划示意图1；
图3为本发明中路径规划示意图2。
图中，1-起始地，2-目的地，3-预设路径，4-参考线，5-扫描线，6-充电站点，7-第N位置，N为正整数，8-第一扇形区域，9-第二扇形区域，10-第三扇形区域，
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
（1）路径规划管理系统
如图1所示，图1描述了一种无人机路径规划管理系统，所述系统包括以下单元。
① 定位管理单元，用于获取无人机的起始地位置信息、该无人机的一个或多个目的地位置信息及充电站点的位置信息。
② 地图管理单元，用于获取地图和基于该地图的道路路径信息。
③ 路径预设定单元，根据起始地位置信息和目的地位置信息设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为预设路径。
④ 续航能力计算单元，获取该无人机的预设飞行速度及可持续飞行时间，计算该无人机的最大飞行距离，并将其与预设路径的路程作比较，若预设路径的路程大于该最大飞行距离，则输出续航充电请求。
⑤ 充电站点扫描单元，获取续航充电请求后，定位该无人机的最大飞行距离在预设路径上的位置，并记为第一位置，将起始地位置和第一位置之间的连接线记为扫描线，将起始地位置和目的地位置记为参考线，以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向参考线作第一扇形区域扫描，扫描该第一扇形区域内所有的充电站点，将该扫描出的充电站点记为集合Q1。
⑥ 路径规划单元，在集合Q1中指定一个充电站点为第一续航站点，并根据起始地位置和该第一续航站点的位置设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为第一路径。
⑦ 导航路径生成单元，将该第一续航站点作为新的起始地，继续通过路径预设定单元计算出第二个预设路径，通过续航能力计算单元判断该无人机是否还需发出第二次续航充电请求，通过充电站点扫描单元确定出第二位置，扫描出新的充电站点集合Q2，路径规划单元再规划出新的导航路径作为第二路径，直到计算出第N个预设路径、发出第N此续航充电请求、确定第N位置，扫描到集合QN、规划出第N路径，以使在第N路径时，无人机完成从最初的起始地至目的地的路径规划，其中N为正整数，将第一路径、第二路径至第N路径之和生成为导航规划路径，并发送给无人机。
基于上述实施例，进一步的，所述第一扇形区域的圆心角为扫描线和参考线之间的夹角的两倍。
基于上述实施例，进一步的，所述路径规划单元确定续航站点时，可采用以下两种方式中的一种。
方式一，所述路径规划单元计算集合QN中各个充电站点至参考线的垂直距离，选择垂直距离最小的充电站作为第N续航站点。
方式二，所述路径规划单元通过方式2，按集合QN中各个充电站点被扫描到的时间先后顺序，依次计算第N次起始地至各个充电站点的导航路径，并将其中路程最短的导航路径作为第N路径。
基于上述实施例，进一步的，若集合QN中的充电站点数量为零，则充电站点扫描单元以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向远离参考线的方向作第二扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，从第一位置处开始向靠近参考线的方向作第三扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，比较第二扇形区域和第三扇形区域的圆心角的大小，将较小者区域内的充电站点设为第N续航站点。
（2）路径规划管理方法
本发明还提出了一种无人机路径规划管理方法，所述方法包括以下多个步骤：
S1，获取无人机的起始地1位置信息、该无人机的一个或多个目的地2位置信息及充电站点的位置信息；
S2，获取地图和基于该地图的道路路径信息；
S3，根据起始地位置信息和目的地位置信息设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为预设路径3；
S4，获取该无人机的预设飞行速度及可持续飞行时间，计算该无人机的最大飞行距离，并将其与预设路径的路程作比较，若预设路径的路程小于该最大飞行距离，则将S3中的预设路径作为导航规划路径发送给无人机；
S5，若预设路径的路程大于该最大飞行距离，则定位该无人机的最大飞行距离在预设路径上的位置，并记为第一位置，如图2所示，将起始地位置和第一位置之间的连接线记为扫描线5，将起始地位置和目的地位置记为参考线4，以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向参考线作第一扇形区域8扫描，扫描该第一扇形区域内8所有的充电站点6，将该扫描出的充电站点记为集合Q1；
S6，在集合Q1中指定一个充电站点为第一续航站点，并根据起始地位置和该第一续航站点的位置设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为第一路径；
S7，将该第一续航站点作为新的起始地，通过S3计算出第二个预设路径，通过S4判断该无人机是否还需续航，通过S5确定出第二位置，扫描出新的充电站点集合Q2， 通过S6再规划出新的导航路径作为第二路径，重复执行S3-S6，直到计算出第N个预设路径、确定第N位置7，扫描到集合QN、规划出第N路径，以使在第N路径时，无人机无需续航即可到达目的地，其中N为正整数；
S8，将第一路径、第二路径至第N路径之和生成为导航规划路径，并发送给无人机。
基于上述方法实施例，进一步的，所述第一扇形区域的圆心角为扫描线和参考线之间的夹角的两倍。
基于上述方法实施例，进一步的，确定第N续航站点时，可计算集合QN中各个充电站点至参考线的垂直距离，选择垂直距离最小的充电站作为第N续航站点，以此来确定出第N路径。
或者，在确定第N路径时，按集合QN中各个充电站点被扫描到的时间先后顺序，依次计算第N次起始地至各个充电站点的导航路径，并将其中路程最短的导航路径作为第N路径。
基于上述方法实施例，进一步的，如图3所示，若集合QN中的充电站点数量为零，则充电站点扫描单元以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向远离参考线的方向作第二扇形区域9扫描，当扫描到充电站点后，从第一位置处开始向靠近参考线的方向作第三扇形区域10扫描，当扫描到充电站点后，比较第二扇形区域和第三扇形区域的圆心角的大小，将较小者区域内的充电站点设为第N续航站点。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种无人机路径规划管理系统，其特征在于，所述系统包括以下多种单元：
定位管理单元，用于获取无人机的起始地位置信息、该无人机的一个或多个目的地位置信息及充电站点的位置信息；
地图管理单元，用于获取地图和基于该地图的道路路径信息；
路径预设定单元，根据起始地位置信息和目的地位置信息设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为预设路径；
续航能力计算单元，获取该无人机的预设飞行速度及可持续飞行时间，计算该无人机的最大飞行距离，并将其与预设路径的路程作比较，若预设路径的路程大于该最大飞行距离，则输出续航充电请求；
充电站点扫描单元，获取续航充电请求后，定位该无人机的最大飞行距离在预设路径上的位置，并记为第一位置，将起始地位置和第一位置之间的连接线记为扫描线，将起始地位置和目的地位置记为参考线，以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向参考线作第一扇形区域扫描，扫描该第一扇形区域内所有的充电站点，将该扫描出的充电站点记为集合Q1；
路径规划单元，在集合Q1中指定一个充电站点为第一续航站点，并根据起始地位置和该第一续航站点的位置设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为第一路径；
导航路径生成单元，将该第一续航站点作为新的起始地，继续通过路径预设定单元计算出第二个预设路径，通过续航能力计算单元判断该无人机是否还需发出第二次续航充电请求，通过充电站点扫描单元扫描出新的充电站点集合Q2，路径规划单元再规划出新的导航路径作为第二路径，直到计算出第N个预设路径、发出第N此续航充电请求、扫描到集合QN、规划出第N路径，以使在第N路径时，无人机完成从最初的起始地至目的地的路径规划，其中N为正整数，将第一路径、第二路径至第N路径之和生成为导航规划路径，并发送给无人机。
2.根据权利要求1所述的一种无人机路径规划管理系统，其特征在于：所述第一扇形区域的圆心角为扫描线和参考线之间的夹角的两倍。
3.根据权利要求1所述的一种无人机路径规划管理系统，其特征在于：所述路径规划单元计算集合QN中各个充电站点至参考线的垂直距离，选择垂直距离最小的充电站作为第N续航站点。
4.根据权利要求1所述的一种无人机路径规划管理系统，其特征在于：所述路径规划单元按集合QN中各个充电站点被扫描到的时间先后顺序，依次计算第N次起始地至各个充电站点的导航路径，并将其中路程最短的导航路径作为第N路径。
5.根据权利要求1所述的一种无人机路径规划管理系统，其特征在于：若集合QN中的充电站点数量为零，则充电站点扫描单元以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向远离参考线的方向作第二扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，从第一位置处开始向靠近参考线的方向作第三扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，比较第二扇形区域和第三扇形区域的圆心角的大小，将较小者区域内的充电站点设为第N续航站点。
6.一种无人机路径规划管理方法，其特征在于，所述方法包括以下多个步骤：
S1，获取无人机的起始地位置信息、该无人机的一个或多个目的地位置信息及充电站点的位置信息；
S2，获取地图和基于该地图的道路路径信息；
S3，根据起始地位置信息和目的地位置信息设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为预设路径；
S4，获取该无人机的预设飞行速度及可持续飞行时间，计算该无人机的最大飞行距离，并将其与预设路径的路程作比较，若预设路径的路程小于该最大飞行距离，则将S3中的预设路径作为导航规划路径发送给无人机；
S5，若预设路径的路程大于该最大飞行距离，则定位该无人机的最大飞行距离在预设路径上的位置，并记为第一位置，将起始地位置和第一位置之间的连接线记为扫描线，将起始地位置和目的地位置记为参考线，以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向参考线作第一扇形区域扫描，扫描该第一扇形区域内所有的充电站点，将该扫描出的充电站点记为集合Q1；
S6，在集合Q1中指定一个充电站点为第一续航站点，并根据起始地位置和该第一续航站点的位置设定一条基于道路路径信息的路程最短的导航路径作为第一路径；
S7，将该第一续航站点作为新的起始地，通过S3计算出第二个预设路径，通过S4判断该无人机是否还需续航，通过S5扫描出新的充电站点集合Q2， 通过S6再规划出新的导航路径作为第二路径，重复执行S3-S6，直到计算出第N个预设路径、扫描到集合QN、规划出第N路径，以使在第N路径时，无人机无需续航即可到达目的地，其中N为正整数；
S8，将第一路径、第二路径至第N路径之和生成为导航规划路径，并发送给无人机。
7.根据权利要求6所述的一种无人机路径规划管理方法，其特征在于：所述第一扇形区域的圆心角为扫描线和参考线之间的夹角的两倍。
8.根据权利要求6所述的一种无人机路径规划管理方法，其特征在于：确定第N续航站点时，计算集合QN中各个充电站点至参考线的垂直距离，选择垂直距离最小的充电站作为第N续航站点。
9.根据权利要求6所述的一种无人机路径规划管理方法，其特征在于：确定第N路径时，按集合QN中各个充电站点被扫描到的时间先后顺序，依次计算第N次起始地至各个充电站点的导航路径，并将其中路程最短的导航路径作为第N路径。
10.根据权利要求6所述的一种无人机路径规划管理方法，其特征在于：若集合QN中的充电站点数量为零，则充电站点扫描单元以起始地位置为圆心，以扫描线为半径，从第一位置处开始向远离参考线的方向作第二扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，从第一位置处开始向靠近参考线的方向作第三扇形区域扫描，当扫描到充电站点后，比较第二扇形区域和第三扇形区域的圆心角的大小，将较小者区域内的充电站点设为第N续航站点。
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