TW202133062A - 無人機之物流運營任務規劃管理系統及其方法 - Google Patents

無人機之物流運營任務規劃管理系統及其方法 Download PDF

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無人機之物流運營任務規劃管理系統及其方法
本發明屬於物流相關領域，特別指一種應用無人機之物流運營任務規劃管理系統。
目前，無人機(UAS)的應用技術日趨成熟，使用範圍逐步擴大，相關法規日趨清晰，為適應未來無人機的多樣化應用，提高無人機飛行的安全性和有效管理，控制無人機飛行，優化適航區空域利用勢在必行，也是世界各國的研究與發展關鍵主題。
對於無人機運營的飛行任務規劃、空中交通控制和管理是一個基於服務、角色、責任、基礎設施、性能要求、資訊架構、軟體功能、資料交換協定等的原型系統。它是一個可擴展、靈活和適應性強的系統，可回應需求、數量、技術、業務模式和應用的變化，同時保留載人空中交通管制的介面。在適航區無人機航管中心(ATCC)的監督下進行多無人機飛行操作和管理，確保所有無人機在適航區空域內安全可靠地運行。
對於一架無人機攜帶包裹從起始地點飛往15公里外的目的地點，這是一個視距外的遙控飛行任務，故必須由任務規劃系統根據地面高程和地形資料庫產生適航區空域的飛行路徑。該飛行路徑經過規劃、模 擬、測試，符合適用的法規、空域要求，包括電子圍欄、空域可用性、臨時區域和限制區域。該飛行路徑是一條合適、安全和經濟高效的飛行路徑，不會與在同一空域內操作的其它無人機相衝突，除了突發事件外，該飛行路徑沿途應無障礙物。
發明人曾針對地形資料處理、地形感知和預警系統提出並獲准美國專利US 6,317,690和US 6,401,038，該技術經由定位及飛行條件收集產生一組高於最小飛行高度的地形節點，提出結構化地形模型的技術，基於這種地形模型開發出碰撞檢測、山體邊界和區域生長技術等演算法，防止飛機與地形相撞，其中使用可見度圖進行動態路徑規劃，助於減少即時計算資源。
基於習知專利，發明人進一步研究，提出完整的無人機之物流運營任務規劃管理系統，藉由構建飛航空間地形模型的樹狀資料結構，根據該地形模型的該樹狀資料結構規劃防止危險和避開障礙的任務路徑，然後對該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制，並對於進入該航路的航班進行監控與緊急事件處理，以完善無人機之物流運營任務的相關技術，俾利用該項產業的有益發展。
本發明的目的在於提供一種無人機之物流運營任務規劃管理系統，其構建飛航空間地形模型以及任務路徑規劃，允許無人機在自動或手動遙控飛安模式下飛行，以避免與地形碰撞或突發障礙物，該方法可應用於視距外飛行，最大限度地利用飛航空間。
本發明的是提供一種無人機之物流運營任務規劃管理系統，其包括：
數位地形建模子系統，用來構建飛航空間地形模型的樹狀資料結構；
任務路徑規劃子系統，根據該地形模型的該樹狀資料結構規劃防止危險和避開障礙的任務路徑；
航路容量規劃和流量控制子系統，根據該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制；以及
無人機運營航管和監控子系統，對於進入該航路的航班進行監控與緊急事件處理。
該數位地形建模子系統具有雲端地形資料庫模組與地形建模模組，該雲端地形資料庫模組存取數位地形模型(DTM)、數位地表模型(DSM)、禁限航與其它資料庫，以取得複數的高程相關資料，然後交由該地形建模模組根據該複數的高程相關資料進行堆疊以建立該地形模型。
該任務路徑規劃子系統具有靜態任務規劃模組與動態任務規劃模組，該靜態任務規劃模組用來在任務之前生成固定有計劃的該任務路徑，該動態任務規劃模組用於任務時生成非固定或計劃外的該任務路徑，或是即時防危避碰規劃該任務路徑。
該靜態任務規劃模組與該動態任務規劃模組分別或同時連接有宏觀路徑規劃單元與微視路徑規劃單元，該宏觀路徑規劃單元對於該地形模型中具有相對平坦或一致性高度的地形特徵，生成簡單、固定高度的直線飛行路徑；該微視路徑規劃單元則對於該路徑航段可能碰到需要繞過、超過飛行高度限制的地形特徵，生成複雜、變化高度的飛行路徑。
該樹狀資料結構為四元樹(QUADTREE)或八元樹(OCTREE)資料結構。
前述無人機之物流運營任務規劃管理系統的使用方法，其包括：
構建飛航空間地形模型的樹狀資料結構，該樹狀資料結構中的每一節點對應該地形模型上的一個地點，使該節點具有相對之該地點的高程資料；
根據該地形模型的該樹狀資料結構規劃防止危險和避開障礙的任務路徑；
根據該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制；以及
對於進入該航路的航班進行監控與緊急事件處理。
該樹狀資料結構是將該複數的高程相關資料分別製成單獨的樹狀結構再堆疊生成，堆疊過程通過檢查不同該樹狀結構中相對應之該節點的代表值，然後進行各該節點的合併和分割來完成；或者，是將該複數的高程相關資料進行堆疊，然後通過檢查各該節點進行合併和分割來構建完成該樹狀資料結構。
該樹狀資料結構是以可變解析度建模方法生成，即該樹狀資料結構之每一樹層具有不同的節點解析度，且愈低階的該樹層具有更高的該節點解析度，對於需要強調地形特徵的區域，可以由對應該區域的該節點分割出向下一階的該樹層以提高該節點解析度，而對於不要求地形特徵甚至可以忽略的範圍，則可將對應該範圍內的各該節點予以合併進入向上一階的該樹層以降低該節點解析度。
該樹狀資料結構是以多重解析度建模方法生成，即該樹狀資料結構之每一樹層具有不同的節點解析度，且愈低階的該樹層具有更高的該節點解析度，由最低階開始，使每一階之該樹層的所有該節點依據設定條件，將包含的地形特徵合併至其上一階之該樹層所對應的該節點，然後逐漸向上合併至該樹狀資料結構的根節點。
而該任務路徑的規劃，首先，在該地形模型上設定起始地點和目的地點，以產生直線飛行路徑的地面軌跡；
根據飛行高度和該直線飛行路徑的該地面軌跡，通過碰撞檢查確定沿線的危險區域，該危險區域由該地形模型中的一組該節點組成；
根據避碰檢查來確定一組該危險區域外的該節點集合，做為航路路徑規劃的備選航點；
根據該備選航點構建可見度圖，經飛行路徑搜索後獲取無碰撞的路徑航段；
連接該起始地點和該目標地點之間的該路徑航段。通過存取該地形模型的該樹狀資料結構中的對應該節點獲得該任務路徑的飛行路徑設定檔。
71~74、81~85:步驟
101:數位地形建模子系統
102:地理資訊管理介面
103:雲端地形資料庫模組
104:地形建模模組
105:可變解析度建模
106:多重解析度建模
107:數位地形模型(DTM)資料庫
108:數位地表模型(DSM)資料庫
109:禁限航與其他資料庫
201:任務路徑規劃子系統
202:飛航任務參數介面
203:靜態任務規劃模組
204:宏觀路徑規劃單元
205:微視路徑規劃單元
206:機載端即時路徑規劃
207:地面端即時路徑規劃
208:路徑最佳化
209:飛行任務模擬
210:動態任務規劃模組
211:任務時飛行路徑再規劃
212:即時防危避碰規劃
213:機載端即時防危避碰
214:地面端即時防危避碰
301:航路容量規劃和流量控制子系統
300:樹狀資料結構
310:樹狀結構
320:地表座標高程資料
330:建築物座標高度資料
340:輸配電線或電塔座標高度資料
350:禁航區資料
360:先建成後堆疊
370:地形模型
380:先堆疊後建成
401:無人機運營航管和監控子系統
S:起始地點
G:目的地點
WP1…WPT0:航點
P:飛行路徑
圖1是本發明的無人機之物流運營任務規劃管理系統的結構方塊圖；
圖2是本發明的該數位地形建模子系統的結構方塊圖；
圖3是本發明的任務路徑規劃子系統的結構方塊圖；
圖4是本發明的無障礙飛行路徑的規劃應用示意圖；
圖5是本發明的宏觀路徑規劃結果的實例參考圖；
圖6是本發明的微視路徑規劃結果的實例參考圖；
圖7是本發明的無人機之物流運營任務規劃管理方法的流程圖；
圖8是本發明的任務路徑的規劃方法的流程圖；
圖9是本發明的樹狀資料結構堆疊生成動作示意圖；
圖10是本發明的樹狀資料結構堆疊生成動作流程圖；
圖11是本發明的樹狀資料結構以可變解析度建模生成的動作示意圖；以及
圖12是本發明的樹狀資料結構以多重解析度建模生成的動作示意圖。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請參閱圖1所示為本發明所提供的一種無人機之物流運營任務規劃管理系統，其主要包括有四個子系統：
1.數位地形建模子系統101，用來構建飛航空間地形模型的樹狀資料結構，採取先建成後堆疊或先堆疊後建成方法完成，並且，以可變解析度建模方法或多重解析度建模方法調整該樹狀資料結構的序列；
2.任務路徑規劃子系統201，是以無人機商業運營為目標，根據該地形模型的該樹狀資料結構，規劃開發一套綜合的防止危險和避開障礙的任務路徑，該任務路徑規劃子系統201具有靜態任務規劃與動態任務規劃兩 種模式，提出並實施宏觀路徑規劃與微視路徑規劃的各類地形模型規劃策略；
3.航路容量規劃和流量控制子系統301，根據該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制，它涵蓋了起降點區域、無人機運營和飛行管理系統，進一步將區塊鏈技術用於容量規劃、無人機安全分隔距離和流量控制；
4.無人機運營航管和監控子系統401，提供與空中交通控制中心的介面，用於對進入該航路的航班進行監控、緊急事件處理、飛行路徑狀態和適航區的可用性還包括與無人機飛手的介面。
請參閱圖2所示，該數位地形建模子系統101具有雲端地形資料庫模組103與地形建模模組104，該雲端地形資料庫模組103用來進行地形資料庫的構造、維護、存取和其它相關功能，其存取數位地形模型(DTM)資料庫107、數位地表模型(DSM)資料庫108、禁限航與其他資料庫109，以取得複數的高程相關資料(如塔樓、限制區等)，然後交由該地形建模模組104根據該複數的高程相關資料進行堆疊以建立該地形模型，該地形建模模組104可採取可變解析度建模105或多重解析度建模106等方法生成所需該地形模型。該雲端地形資料庫模組103另外可提供地理資訊管理介面102作為該雲端地形資料庫模組103與該地形建模模組104之間的聯結視窗，以合併並顯示該雲端地形資料庫模組103的各種資料庫輸入參數，或該地形建模模組104的生成結果。
請參閱圖3所示，該任務路徑規劃子系統201具有靜態任務規劃模組203與動態任務規劃模組210，該靜態任務規劃模組203用來在任務之前生成固定有計劃的該任務路徑，該動態任務規劃模組210用於任務 時生成非固定或計劃外的該任務路徑，或是即時防危避碰規劃該任務路徑，該靜態任務規劃模組203與該動態任務規劃模組210之間可以飛航任務參數介面202提供聯結視窗。
該靜態任務規劃模組203連接有宏觀路徑規劃單元204與微視路徑規劃單元205，該宏觀路徑規劃單元204對於該地形模型中具有相對平坦或一致性高度的地形特徵，採取宏觀路徑規劃以生成具有簡單、固定高度的直線飛行路徑；該微視路徑規劃單元205則對於該路徑航段可能碰到需要繞過、超過飛行高度限制的地形特徵，採取微視路徑規劃生成具有複雜、變化高度的飛行路徑；對於規劃完成的該飛行路徑再進行路徑最佳化208，必要時可進行飛行任務模擬209。
該動態任務規劃模組210也可以應用相同的宏觀路徑規劃和微視路徑規劃的策略，但主要應用在任務時飛行路徑再規劃211，以處理任務目的地發生變化，甚至飛行遇到意外情況，如未登錄障礙物，任務期間衝突警報等狀況，並因應狀況交由機載端即時路徑規劃206或地面端即時路徑規劃207；另該動態任務規劃模組210也用來對於即時防危避碰規劃212，同樣因應狀況交由機載端即時防危避碰213或是地面端即時防危避碰214。
請配合圖3、圖4所示，該任務路徑規劃子系統201在起始地點S和目的地點G之間設置若干航點(WP1…WP10)，任意兩個分離航點(WP1…WP10)之間的連接線生成為一路徑航段，連接各該路徑航段生成該飛行路徑P。如此，在地形相對平坦或一致性較高的地形上，通過該宏觀路徑規劃單元204進行規劃，可生成簡單、固定的高度的直線飛行路徑 (參考圖5)；而有些該路徑航段則可能碰到需要繞過越超過飛行高度限制的地形特徵，或起飛、著陸的該路徑航段可能受較複雜的地形特徵影響，詳細的建築間飛行可能是必要的，若使用該微視路徑規劃單元205可以滿足此需求(參考圖6)。
另外，如圖1所示，該航路容量規劃和流量控制子系統301為該適航區提供了最佳的利用空間，從該適航區的該地形模型的靜態航路規劃開始，進行無人機安全分隔和流量管制，這也將組成該適航區的整體航路規劃的資料庫，以將該適航區內的所有該航班都可以集成到統一的管理監控系統中，然後由該無人機運營航管和監控子系統401進行無人機的識別與跟蹤監測。
請參閱圖7所示為本發明所提供的一種無人機之物流運營任務規劃管理方法，其可應用於任務前規劃或即時狀態規劃，其中包括以下步驟：
71.構建該飛航空間之該地形模型的樹狀資料結構，該樹狀資料結構可為四元樹(QUADTREE)或八元樹(OCTREE)類型，在該樹狀資料結構中的每一節點對應該地形模型上的一個地點，該節點使用數位地形高度資料(如DTED、DSM等)的中生成，使該節點具有相對之該地點的高程資料，可以存取該樹狀資料結構中的節點以獲取地形高度；
72.根據該地形模型的該樹狀資料結構規劃防止危險和避開障礙的任務路徑；
73.根據該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制；以及
74.對於進入該航路的航班進行監控與緊急事件處理。
請參閱圖8所示為該任務路徑的規劃方法，包括有：
81.在該地形模型上設定起始地點和目的地點，以產生直線飛行路徑的地面軌跡；
82.根據飛行高度和該直線飛行路徑的該地面軌跡，通過碰撞檢查確定沿線的危險區域，該危險區域由該地形模型中的一組該節點組成；
83.根據避碰檢查的演算法來確定一組該危險區域外的該節點集合，做為航路路徑規劃的備選航點；
84.根據該備選航點構建可見度圖，經飛行路徑搜索的演算法獲取無碰撞的路徑航段；
85.連接該起始地點和該目標地點之間的該路徑航段。通過存取該地形模型的該樹狀資料結構中的對應該節點獲得該任務路徑的飛行路徑設定檔。
請參閱圖9、圖10所示為本發明的樹狀資料結構堆疊生成動作，第一種方式的樹狀資料結構300是將該複數的高程相關資料分別製成單獨的樹狀結構310再堆疊生成，個別的樹狀結構包括地表座標高程資料320、建築物座標高度資料330、輸配電線或電塔座標高度資料340、禁航區資料350…等，堆疊過程通過檢查不同該樹狀結構310中相對應之該節點的代表值，然後進行各該節點的合併和分割的演算法來完成，稱為先建成後堆疊360；或者，是將該複數的高程相關資料進行堆疊得到完整的該地形模型370，然後通過檢查各該節點進行合併和分割的演算法來構建完成該樹狀資料結構300，稱為先堆疊後建成380。兩種建模方式的結果相同，但先建成後堆疊的方式適用於整體路線的規劃，後者適用於細部的任務規劃， 可靈活應用。
請參閱圖11所示為本發明的樹狀資料結構以可變解析度建模的生成動作，即該樹狀資料結構300之每一樹層具有不同的節點解析度，且愈低階的該樹層具有更高的該節點解析度，在堆疊多個該樹狀結構310後，可以按需求強調或省略每個該樹層中的節點解析度，對於需要強調地形特徵的區域，可以由對應該區域的該節點分割出向下一階的該樹層以提高該節點解析度，直至最低階的葉節點(Leaf Node)位置；而對於不要求地形特徵甚至可以忽略的範圍，則可將對應該範圍內的各該節點予以合併進入向上一階的該樹層以降低該節點解析度，直至最高階的根節點(Root Node)位置。例如，在較低階的該樹層以較高的該節點解析度強調如高密度建築群的詳細地形特徵，而在較高階的該樹層則降低該節點解析度以表現空曠的山區、湖面等地形特徵。
請參閱圖12所示為本發明的樹狀資料結構以多重解析度建模的生成動作，即該樹狀資料結構300之每一樹層具有不同的節點解析度，且愈低階的該樹層具有更高的該節點解析度，由最低階的葉節點(Leaf Node)開始，使每一階之該樹層的所有該節點依據設定條件，將包含的地形特徵合併至其上一階之該樹層所對應的該節點，然後逐漸向上合併至該樹狀資料結構的根節點(Root Node)，形成類似於金字塔的形式堆積起來，故愈下層的該節點越多，存儲的地形特徵值越詳細。
該多重解析度建模詳細資訊逐層以近似值或等化值合併一直到根節點，該飛行路徑搜索的演算法在執行任務時從該樹狀資料結構的任何下方樹層開始，如果該樹層中找不到適合路徑，則它會立即提升到較 高的樹層進行搜索，故適用於即時處理和可變飛行參數，如速度、高度、目的地變化等。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍；如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。

Claims (13)

  1. 一種無人機之物流運營任務規劃管理系統，其包括：
    數位地形建模子系統，用來構建飛航空間地形模型的樹狀資料結構；
    任務路徑規劃子系統，根據該地形模型的該樹狀資料結構規劃防止危險和避開障礙的任務路徑；
    航路容量規劃和流量控制子系統，根據該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制；以及
    無人機運營航管和監控子系統，對於進入該航路的航班進行監控與緊急事件處理。
  2. 如請求項1所述的無人機之物流運營任務規劃管理系統，其中，
    該數位地形建模子系統具有雲端地形資料庫模組與地形建模模組，該雲端地形資料庫模組存取數位地形模型(DTM)資料庫、數位地表模型(DSM)資料庫、禁限航與其它資料庫，以取得複數的高程相關資料，然後交由該地形建模模組根據該複數的高程相關資料進行堆疊以建立該地形模型。
  3. 如請求項1所述的無人機之物流運營任務規劃管理系統，其中，
    該任務路徑規劃子系統具有靜態任務規劃模組與動態任務規劃模組，該靜態任務規劃模組用來在任務之前生成固定有計劃的該任務路徑，該動態任務規劃模組用於任務時生成非固定或計劃外的該任務路徑，或是即時防危避碰規劃該任務路徑。
  4. 如請求項3所述的無人機之物流運營任務規劃管理系統，其中，
    該靜態任務規劃模組與該動態任務規劃模組分別或同時連接有宏觀路徑規劃單元與微視路徑規劃單元，該宏觀路徑規劃單元對於該地形模型中具有相對平坦或一致性高度的地形特徵，生成簡單、固定高度的直 線飛行路徑；該微視路徑規劃單元則對於該路徑航段可能碰到需要繞過、超過飛行高度限制的地形特徵，生成複雜、變化高度的飛行路徑。
  5. 如請求項1所述的無人機之物流運營任務規劃管理系統，其中，該樹狀資料結構為四元樹(QUADTREE)或八元樹(OCTREE)資料結構。
  6. 一種無人機之物流運營任務規劃管理方法，其包括：
    構建飛航空間地形模型的樹狀資料結構，該樹狀資料結構中的每一節點對應該地形模型上的一個地點，使該節點具有相對之該地點的高程資料；
    根據該地形模型的該樹狀資料結構規劃防止危險和避開障礙的任務路徑；
    根據該任務路徑進行航路的容量規劃和流量控制；以及
    對於進入該航路的航班進行監控與緊急事件處理。
  7. 如請求項6所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該樹狀資料結構是由數位地形模型(DTM)資料庫、數位地表模型(DSM)資料庫、禁限航與其它資料庫所取得複數的高程相關資料進行堆疊生成。
  8. 如請求項7所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該樹狀資料結構是將該複數的高程相關資料分別製成單獨的樹狀結構再堆疊生成，堆疊過程通過檢查不同該樹狀結構中相對應之該節點的代表值，然後進行各該節點的合併和分割來完成；或者，是將該複數的高程相關資料進行堆疊，然後通過檢查各該節點進行合併和分割來構建完成該樹狀資料結構。
  9. 如請求項8所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該樹狀資料結構是以可變解析度建模方法生成，即該樹狀資料結構之 每一樹層具有不同的節點解析度，且愈低階的該樹層具有更高的該節點解析度，對於需要強調地形特徵的區域，可以由對應該區域的該節點分割出向下一階的該樹層以提高該節點解析度，而對於不要求地形特徵甚至可以忽略的範圍，則可將對應該範圍內的各該節點予以合併進入向上一階的該樹層以降低該節點解析度。
  10. 如請求項8所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該樹狀資料結構是以多重解析度建模方法生成，即該樹狀資料結構之每一樹層具有不同的節點解析度，且愈低階的該樹層具有更高的該節點解析度，由最低階開始，使每一階之該樹層的所有該節點依據設定條件，將包含的地形特徵合併至其上一階之該樹層所對應的該節點，然後逐漸向上合併至該樹狀資料結構的根節點。
  11. 如請求項6所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該任務路徑的規劃首先在該地形模型上設定起始地點和目的地點，以產生直線飛行路徑的地面軌跡；
    根據飛行高度和該直線飛行路徑的該地面軌跡，通過碰撞檢查確定沿線的危險區域，該危險區域由該地形模型中的一組該節點組成；
    根據避碰檢查來確定一組該危險區域外的該節點集合，做為航路路徑規劃的備選航點；
    根據該備選航點構建可見度圖，經飛行路徑搜索後獲取無碰撞的路徑航段；
    連接該起始地點和該目標地點之間的該路徑航段。通過存取該地形模型的該樹狀資料結構中的對應該節點獲得該任務路徑的飛行路徑設定檔。
  12. 如請求項11所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該任務路徑的規劃具有靜態任務規劃或動態任務規劃方法，該靜態任務規劃用來在任務之前生成固定有計劃的該任務路徑，該動態任務規劃用於任務時生成非固定或計劃外的該任務路徑，或是即時防危避碰規劃該任務路徑。
  13. 如請求項12所述的無人機之物流運營任務規劃管理方法，其中，
    該任務路徑的規劃對於該地形模型中具有相對平坦或一致性高度的地形特徵，採取生成簡單、固定高度直線飛行路徑的宏觀路徑規劃；而對於該路徑航段可能碰到需要繞過、超過飛行高度限制的地形特徵，則採取生成複雜、變化高度飛行路徑的微視路徑規劃。
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CN114399925A (zh) * 2022-02-08 2022-04-26 安胜（天津）飞行模拟系统有限公司 一种基于eVOTL飞机的飞行管理系统的设计方法

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CN114399925A (zh) * 2022-02-08 2022-04-26 安胜（天津）飞行模拟系统有限公司 一种基于eVOTL飞机的飞行管理系统的设计方法

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