[发明专利]一种基于立体剖分网格的无人机三维时变空域导航方法

说明书

本公开的基于立体剖分网格的无人机三维时变空域导航方法，包括：根据所述无人机机型和所述三维时变空域的建筑物类型确定三维时变空域网格模型的网格层级；基于GeoSOT‑3D网格和所述三维时变空域网格模型的网格层级对所述三维时变空域进行网格编码，得到所述三维时变空域网格模型；基于所述三维时变空域网格模型，利用改进的A^*算法和无人机的约束条件进行无人机的航迹规划，实现无人机的三维时变空域导航。能够实现无人机在建模空域中快速高效的航迹规划与动态导航，解决海量数据的存储整合、空域实体的实时建模关联难和时空建模规划复杂的问题，实现无人机在时变空域导航的可行性与高效性。

技术领域

本发明属于地球空间信息剖分组织、无人机导航技术领域，具体涉及一种基于立体剖分网格的无人机三维时变空域导航方法。

背景技术

无人机在空域中飞行时，往往会有在时变空间中精确导航的应用需求。如电力铁塔巡检时，复杂细粒度的铁塔内部可飞空间极小，难以自动飞行；在某些特殊情境下，无人机需要根据环境变动信息完成瞬时飞入、对突然开启的房屋门窗完成侦查探测或伸出平台无人机完成投物等操作。这些都对无人机空域导航提出了应对时变计算的挑战。

三维时变空域环境信息有多种来源、多种形式，同时各类物体都要与外界空间元素完成交互，这些限制条件导致对三维环境建模的准确性要求较高。然而，随着无人机自身性能的提高，相关配套的环境建模方案却无法满足日益复杂的无人机实时导航要求，这将严重影响无人机航迹规划、路径导航与自主任务的成功率与效率。现有环境建模方案在服务于无人机时变空域导航中主要存在以下问题：

海量数据的存储整合难。空域环境时变复杂，包括各种航迹数据、场数据、空中静态数据、空中动态数据等。无人机在空域中需要做到实时侦测建模，同时还需考虑到强风大雨雷电等强对流天气对无人机实时导航的影响，这些海量复杂的数据难以通过传统的经纬数据库形式存储整合，并进一步用于时空关系计算来服务无人机的时变空域导航。

空域实体的实时建模关联难。在进行规划空间建模时，要考虑到建筑物实体空间信息的高密度性，因此相应的建模方法要保证抽象空间无缝无叠且有着较高分辨率。环境建模完成后，抽象空间内也要能存储足够的环境信息。而在时变环境下，环境与实体信息时刻发生着变化，各类空域实体都会进行连续建模，并且计算复杂度也会大幅提升，最终导致建模时间变长。单纯的采用传统建模方法对于复杂与不规则的障碍物边界，如不规则曲面，会导致建模得到的偏差较大，无法在时变的目标空域中完成准确合理的建模，甚至无法找到目标实体。

时空建模规划复杂。在三维环境下，无人机邻域从八邻域骤升至二十六邻域，相应的计算复杂度也呈指数级的增加，因此原本的二维平面时空建模方案在增加维度后将变得不再适用。三维环境下的地理时空建模困难，且无人机粗粒度的快速导航与细粒度的精准避物均需要在一个三维空域中整合搭建，计算频率要求十分高，计算代价很大。

现有的研究方法主要采用几何建模法或栅格法来进行空域环境建模。几何建模法是指将无人机设为质点，在三维真实环境中根据实体空间的大小、形状、性质，采用点、线、面与其他几何形状来描述其中的障碍物。栅格法是将整个空域划分为数个均匀等大的三维网格，每个网格将会被赋予不同的权重。但这两类方式仅仅只能进行简单障碍物下的环境建模，一旦进入复杂的时变空域环境，相关方法将难以处理计算实时海量的空域信息并供给无人机导航使用。

因此，面向无人机三维时变空域导航的需求，亟需提出一套三维时空下的时变环境网格化建模编码方案，对无人机在三维时变密集空域下的静态航迹规划或动态导航有重要意义。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种基于立体剖分网格的无人机三维时变空域导航方法，能够实现无人机在建模空域中快速高效的航迹规划与动态导航，解决海量数据的存储整合、空域实体的实时建模关联难和时空建模规划复杂的问题，实现无人机在时变空域导航的可行性与高效性。

根据本公开的一方面，本发明提供一种基于立体剖分网格的无人机三维时变空域导航方法，所述方法包括：