CN107544540A - 一种应用于旋翼无人机的航线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，包括以下步骤：作业路线的绘制；网格划分；最大摄像采集点数的计算；航线规划；起飞点和降落点的选择：所述航线中，与所述作业路线相交或相邻的网格为第一个摄像采集点，依次选取第二个摄像采集点，第三个摄像采集点……第N个摄像采集点，其中，N为自然数，所述起飞点从与所述第一个摄像采集点距离最近的位置选取；所述降落点从与起飞点所在作业路线中，与航线中第N个摄像采集点的距离最近的位置选取。本发明中，通过自动选取起飞点和降落点，减少人工选取起飞点与降落点带来的工作量，并避免产生无人机操作人员无法抵达的起降点。

Description

一种应用于旋翼无人机的航线规划方法

技术领域

本发明属于遥感测绘和航空拍摄技术领域，涉及一种应用于大区域航拍作业中多个旋翼无人机协作航拍的航线规划的方法。

背景技术

使用无人机进行摄影测量时，通过无人机搭载的拍摄装置进行低空拍摄以获得地面信息。为了保证无人机航拍的图像精度以及覆盖重叠度，需要对无人机的飞行航线进行规划。

由于旋翼无人机的续航能力较弱，对于大区域的飞行摄影测量，需要采用多架次飞行或者多个无人机协作进行飞行测量。旋翼无人机的起降及电池更换都会增加作业时间，因此需要在航线规划中保证每次飞行作业中充分利用电池续航能力，保证单次飞行作业范围的最大化，以提高作业效率。为了降低无人机操作人员的工作难度和提高工作效率，需要对起降点进行限制，保证多个作业的起降点位于同一操作人员步行或地面(水面)交通工具可抵达的作业路线内。现有的航线规划方法多是针对指定区域的单次飞行进行规划，基本没有针对旋翼无人机续航能力较差、需要频繁起降、更换电池等情况进行规划，也基本没有考虑多个无人机协同作业时的航线规划。

此外，现有航线规划方法中也没有考虑单个操作人员在多次飞行作业过程中的移动路径和可抵达区域，也没有考虑针对操作人员可抵达的作业路线及工作效率进行优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于旋翼无人机的大区域分片智能航线规划方法，解决了现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，包括以下步骤：

作业路线的绘制：在飞行作业所在的电子地图上绘制飞行测量区域，然后在飞行测量区域上绘制或自动生成无人机操作人员的若干条作业路线；

网格划分：根据输入的画面重叠率以及单幅画面的覆盖面积，自动将飞行测量区域划分成若干个大小和形状均相同的网格，且每个所述网格包含一个摄像采集点；

最大摄像采集点数的计算：根据无人机单次的续航能力，计算出单次航行的最大摄像采集点数；

航线规划：根据无人机操作人员的作业路线，自动生成若干条航线，每条所述航线均包括一个起飞点和一个降落点以及连接所述起飞点和降落点的飞行路径；

起飞点和降落点的选择：所述航线中，与所述作业路线相交或相邻的网格为第一个摄像采集点，依次选取第二个摄像采集点，第三个摄像采集点....第N个摄像采集点，其中，N为自然数，所述起飞点从与所述第一个摄像采集点距离最近的位置选取；

所述降落点从与起飞点所在作业路线中，与航线中第N个摄像采集点的距离最近的位置选取。

进一步地，所述作业路线的绘制步骤中，用户通过操作软件，根据电子地图中的道路和地形自动生成作业路线，使得作业路线位于便于通行的交通道路沿线上。

进一步地，所述网格划分步骤前，还包括摄像参数的输入，所述摄像参数包括分辨率、飞行高度、焦距、地图比例尺和画面重叠率。

进一步地，所述摄像参数与网格划分步骤之间，还包括单幅画面覆盖面积的计算，所述单幅画面覆盖面积通过用户输入或者算法自动计算获得。

进一步地，所述网格划分步骤中，还包括单个网格边长a的计算步骤，所述计算步骤采用公式(1)进行计算：

a＝sqrt(A*(1-R)) (1)

其中，a为单个网格边长；

A为单幅画面覆盖面积，R为画面重叠率。

进一步地，所述网格划分步骤中，还包括最大飞行距离所包含的网格数M的计算；所述M采用公式(2)计算；

M＝(maxS*res)/a (2)

其中，res为0.8-1之间的经验参数，用于为航线计算保留起飞降落所需的电池余量；maxS为用户输入的单次最大飞行距离。

进一步地，所述航线规划步骤中，若干个所述航线中的航线数量小于等于所述最大飞行距离包含的网格数。

进一步地，所述航线规划步骤中，若干条航线之间，无共同的影像采集点。

进一步地，所述起飞点和降落点的选择步骤中，当用户对生成的航线的起飞点和/或降落点进行修改或者移动时，将自动重新规划航线。

进一步地，所述起飞点和降落点的选择步骤中，所述起飞点和降落点为相同位置时，航线由起飞点开始到降落点为闭合曲线。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，针对多次飞行作业和协同作业，自动生成飞行航线。

本发明中，根据飞行操作人员可实际抵达的作业路线，自动选取起降点，减少人工选取起飞点与降落点带来的工作量，并避免产生无人机操作人员无法抵达的起降点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中绘制的飞行测量区域图；

图2为本发明提供的实施例中绘制的作业路线图；

图3为本发明提供的实施例中网格的划分图；

图4为本发明提供的实施例中航线的规划图；

图5为本发明提供的另一个实施例中航线的进行自动分组示意图；

图6为本发明提供的另一个实施例中航线的规划图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

参照附图1-4所示，本发明的一种应用于旋翼无人机的大区域分片航线规划方法，具体是根据单幅影像的覆盖范围以及所要求的重叠率将用户指定的区域划分成若干个网格，每个网格包含一个影像采集点；根据无人机单次续航能力计算出单次航行最大影像采集点数；根据用户划定的或算法自动生成的无人机操作人员作业路线，自动为每条航线选择起飞点和降落点；根据单次最大影像采集点数和整个区域包含的网格总数将整个区域自动划分多个飞行航线；根据用户输入的飞行组数将多个航线自动分组。

本实施例中，具体包括以下几个步骤，

1)飞行测量区域的绘制：如图1所示，用户使用实施例的软件操作界面打开飞行作业所在区域对应的电子地图，并在地图上绘制飞行测量区域。

具体地，根据实际需求，飞行测量区域可以是矩形或多边形。

2)作业路线的绘制：如图2所示，用户根据地形特点、交通工具或步行可达范围等因素，在地图上绘制无人机操作人员的作业路线。

其中，作业路线由1条或多条曲线组成，不同的作业路线可以交叉，可以部分重合。作业路线设置为多条时，用于多个无人机协同作业时，便于一次及时地对多个无人机进行作业路线的规划。

上述的，用户通过操作软件，根据电子地图中的道路和地形自动生成作业路线，使得作业路线位于便于通行的交通道路沿线上。

3)用户可以根据需求，通过操作界面输入摄像时的参数，比如输影像分辨率、飞行高度、焦距、地图比例尺和画面重叠率。

4)用户输入或者通过算法自动计算单幅画面所覆盖的面积(计为A)。

5)用户输入单次最大飞行距离(计为maxS)、最小转弯半径等参数。

其中，单次最大飞行距离(计为maxS)、最小转弯半径等参数还可以通过实际飞行测量数据形成各种机型、不同载重的最大飞行距离数据库表，由程序自动查询设置。输入最小转弯半径的原因是，飞行从一个方向掉头到相反方向飞行时，需要根据最小转弯半径设置飞行路线的余量，不能完全按照直角方式调整方向。

6)当多个无人机协同作业时，用户通过操作界面输入协同作业的无人机操作员数量，也称为航线分组数量(计为W)。

7)网格划分：如图3所示，算法根据画面重叠率、单幅画面覆盖面积等参数，自动将飞行测量区域分割成均匀大小的网格，且每个所述网格包含一个摄像采集点；

其中，网格形状可以为正方形、圆形等。本实施例中，网格形状为正方形，每个正方形内的点即为摄像采集点。

8)在一个优选实施例中，单个网格的边长a的计算步骤，所述计算步骤采用公式(1)进行计算：

a＝sqrt(A*(1-R)) (1)

其中，a为单个网格边长；

A为单幅画面覆盖面积，R为画面重叠率。

其中，单幅画面覆盖面积A通过用户输入或者算法自动计算获得。

本领域技术人员已知的，可以根据已知的焦距(b)、传感器尺寸(WxH)、飞行拍摄高度(物距b2)，按照公知的光学物理公式可以得出单幅画面覆盖面积A＝(b2/b)²*W*H。

在实际实施中，需根据画幅裁切、畸变进行修正，或根据实际测量结果形成数据库表直接查询获得相关数值。上述关于单幅画面覆盖面积A算法或方法属于本技术领域公知的技术。

9)还包括最大飞行距离所包含的网格数M的计算；所述M采用公式(2)计算；

M＝(maxS*res)/a (2)

其中，res为0.8-1之间的经验参数，用于为航线计算保留起飞降落所需的电池余量；maxS为用户输入的单次最大飞行距离。

关于res，其电子设备常用的经验值，如手机电池或笔记本电脑的电池下降到20％后进入节电模式。

进一步地，本实施例中还包括对最大摄像采集点数的计算，即根据无人机单次的续航能力，计算出单次航行的最大摄像采集点数。由于受电池的容量限制，无人机的单次飞行距离有限。最大摄像采集点数是根据最大飞行距离换算出的采集点数量，而实际飞行作业路线的摄像采集不能超过这个数量，否则会导致飞机无法正常到达降落点或者无人机飞行途中丢失。将网格划分步骤中的摄像采集点数进行求和，其和必须小于最大摄像采集点数，进而才可以进行摄像步骤。

10)航线规划：如图4所示，算法根据所述作业路线自动生成多条航线(航线数量记为N)。所述生成的每条航线包括一个起飞点(标记为S)、一个降落点(标记为E)以及一条连接起飞点和降落点的飞行路径。所述起飞点和降落点均位于同一条作业路线中。每条飞行航线所包含的N个影像采集点中的每个采集点均属于所述网格中。每条飞行航线所包含的影像采集点的数量小于等于M。

本实施例中，包含多个S和多个E。

进一步地，每条飞行航线不与其他航线具有相同的影像采集点。优选的，所述航线中的第一个采集点从与作业路径相交或相邻的网格中选取。所述航线的起飞点从作业路线中与第一个采集点距离最近的位置选取。降落点从起飞点所在作业路线中与航线中的最后一个采集点的距离最近的位置选取。

实施例2

作为实施例1的进一步改进，参照如图5所示，算法根据无人机操作员数量W，将飞行航线分组，共分为W个飞行航线组。一般的，每个飞行航线组的所有飞行作业由同一个无人机操作员执行。为减少无人机操作员的转场和移动，所述飞行航线按照作业路线分组，算法保证同一组的飞行航线的起降点位于同一作业路线。

本实施例中，根据用户输入的航线组数量W和作业路线，不同航线组的作业路线可以相同，也可以不同。参照附图5可知，本实施例中，航线组为2组，A组和B组。

实施例3

为了减少无人机操作员的工作量，不同航线的起飞点或降落点可以相同。用户对可以对生成的航线的起飞点和降落点进行修改和移动，算法将自动重新计算和规划航线。

参照附图6所示，本实施例中，为了减少无人机操作人员的定位和移动，用户可以设置起飞点和降落点为相同位置，记作起降点(标记为SE)。在这种设置下，算法生成的航线的起飞点和降落点位于同一位置，并且坐落于所述作业路线中。航线为由起降点开始到起降点终止的闭合曲线。本实施例中，起降点为6个。

进一步地，本实施例中，用户可以设置每条作业路线的起点和终点，保证生成的航线的起点和终点依次沿着从起点到终点的方向顺序进行，使得无人机操作员的行走距离最小化。

进一步地，本发明中，用户可以让软件根据地图中的道路和地形自动生成作业路线，使得作业路线总是位于便于人员通行的交通道路沿线。进一步的，用户可以设置一个或多个限制条件，如设置作业路线范围，设置起点和终点，设置道路类型，让自动生成的作业路线更便于操作员作业。进一步的，用户可以对自动生成的作业路线进行修改，手动删除部分路线或者手动添加路线。

本发明根据用户输入的飞行测量区域及无人机操作员作业路线，并根据无人机的续航能力，自动规划多组航线，自动为每组航线选取起飞点和降落点，保证航线完全覆盖测量区域影像采集点，减少了大区域多次协作飞行的航线规划工作的复杂度和工作量，减少了人工选取起飞点与降落点带来的工作量，并避免了产生无人机操作人员无法抵达的起降点。本发明根据用户输入的分组数，自动将航线进行分组，并保证同组所有航线的起降点位于相同的作业路线，方便了飞行任务的分配。本发明可以设置作业路线的起点和终点，使得每条航线的起飞降落点沿着作业路线从起点到终点的方向依次分布，减少了飞行操作员的行走距离。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

作业路线的绘制：在飞行作业所在的电子地图上绘制飞行测量区域，然后在飞行测量区域上绘制或自动生成无人机操作人员的若干条作业路线；

网格划分：根据输入的画面重叠率以及单幅画面的覆盖面积，自动将飞行测量区域划分成若干个大小和形状均相同的网格，且每个所述网格包含一个摄像采集点；

最大摄像采集点数的计算：根据无人机单次的续航能力，计算出单次航行的最大摄像采集点数；

航线规划：根据无人机操作人员的作业路线，自动生成若干条航线，每条所述航线均包括一个起飞点和一个降落点以及连接所述起飞点和降落点的飞行路径；

起飞点和降落点的选择：所述航线中，与所述作业路线相交或相邻的网格为第一个摄像采集点，依次选取第二个摄像采集点，第三个摄像采集点....第N个摄像采集点，其中，N为自然数，所述起飞点从与所述第一个摄像采集点距离最近的位置选取；

所述降落点从与起飞点所在作业路线中，与航线中第N个摄像采集点的距离最近的位置选取。

2.根据权利要求1所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述作业路线的绘制步骤中，用户通过操作软件，根据电子地图中的道路和地形自动生成作业路线，使得作业路线位于便于通行的交通道路沿线上。

3.根据权利要求1所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述网格划分步骤前，还包括摄像参数的输入，所述摄像参数包括分辨率、飞行高度、焦距、地图比例尺和画面重叠率。

4.根据权利要求3所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述摄像参数与网格划分步骤之间，还包括单幅画面覆盖面积的计算，所述单幅画面覆盖面积通过用户输入或者算法自动计算获得。

5.根据权利要求4所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述网格划分步骤中，还包括单个网格边长a的计算步骤，所述计算步骤采用公式(1)进行计算：

a＝sqrt(A*(1-R)) (1)

其中，a为单个网格边长；

A为单幅画面覆盖面积，R为画面重叠率。

6.根据权利要求5所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述网格划分步骤中，还包括最大飞行距离所包含的网格数M的计算；所述M采用公式(2)计算；

M＝(maxS*res)/a (2)

其中，res为0.8-1之间的经验参数，用于为航线计算保留起飞降落所需的电池余量；maxS为用户输入的单次最大飞行距离。

7.根据权利要求6所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述航线规划步骤中，若干个所述航线中的航线数量小于等于所述最大飞行距离包含的网格数。

8.根据权利要求1所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述航线规划步骤中，若干条航线之间，无共同的影像采集点。

9.根据权利要求1所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述起飞点和降落点的选择步骤中，当用户对生成的航线的起飞点和/或降落点进行修改或者移动时，将自动重新规划航线。

10.根据权利要求1所述的一种应用于旋翼无人机的航线规划方法，其特征在于，所述起飞点和降落点的选择步骤中，所述起飞点和降落点为相同位置时，航线由起飞点开始到降落点为闭合曲线。