一种多无人机协同巡检航迹规划方法和装置与流程

本发明涉及计算机，尤其涉及一种多无人机协同巡检航迹规划方法和装置。

背景技术：

1、当前，多无人机协同巡检航迹规划主要采用基于预先构建的静态环境模型，在离线状态下完成任务分配与航迹规划，环境突变时易因地图偏差导致航迹失效、碰撞或漏检；任务分配多基于续航、速度等物理参数实现负载均衡，未引入语义优先级与异构载荷适配，高价值任务难以匹配最优无人机；航迹规划将可飞性与感知需求解耦，仅以路径最短为目标，未考虑拍摄距离、视场角等约束，采集数据常不达标需二次补飞；冲突消解在弱网下易出现协商丢失与死锁，高优先级任务易被低优先级任务挤占；固定通信链路无法根据环境质量动态调整，弱网下闭环控制难以稳定运行。

2、如何保障在动态场景下多无人机协同巡检的安全、高效与高质量执行，是目前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种多无人机协同巡检航迹规划方法和装置，该方法能够实现动态场景下多无人机协同巡检的安全、高效与高质量执行。

2、第一方面，提供了一种多无人机协同巡检航迹规划方法，包括：

3、构建巡检场景的数字孪生体，数字孪生体包括各无人机的实时动态状态信息，将实时动态状态信息与实时采集的环境感知数据分别与数字孪生体进行时空配准后同步至各无人机；

4、基于数字孪生体中的巡检目标实体生成各巡检任务，将各巡检任务分配至各无人机，通过数字孪生体根据巡检任务，生成规划航迹；

5、基于规划航迹与各无人机的实时动态状态信息检测多架无人机之间的时空冲突，根据时空冲突的检测结果控制各无人机执行避让，避让完成后将更新后的航迹同步至数字孪生体；

6、任务完成后获取各无人机的实际飞行数据与巡检数据，根据实际飞行数据与巡检数据对航迹规划效果进行评估，对评估结果中未达预设标准的指标执行参数与策略优化，将优化结果更新至数字孪生体并同步至各无人机。

7、这样，通过构建数字孪生体并建立实时动态状态信息与环境感知数据的时空配准与同步机制，使得各无人机拥有全局一致的动态环境认知，为后续任务分配、航迹规划、冲突检测与避让提供了统一的数字底座；在此基础上，通过全流程的任务分配、航迹规划、冲突消解与闭环优化，实现了多无人机协同巡检的动态闭环控制，使得巡检系统能够实时适配环境变化，有效抑制了因环境突变导致的航迹失效、碰撞及漏检问题，提升了复杂动态场景下协同巡检的适应性与可靠性。

8、在一些可能的实现方式中，基于数字孪生体中的巡检目标实体生成各巡检任务，将各巡检任务分配至各无人机，包括：

9、从数字孪生体中读取各巡检目标实体，针对巡检目标实体生成对应的巡检任务；

10、各无人机根据自身载荷适配能力、续航能力和空间位置适配能力计算与各巡检任务的适配度评分，并将评分最高的一个或多个巡检任务作为竞标报价；

11、根据各无人机的竞标报价进行任务分配，其中语义优先级高的任务优先分配给适配度评分最高的无人机，其中，单架无人机分配到的巡检任务的总预估时长不超过其剩余续航时长的预设比例，且分配结果使各无人机之间的任务总时长方差最小。

12、这样，通过引入语义优先级与异构载荷适配的拍卖式任务分配机制，使高价值巡检任务能够匹配最优性能的无人机，同时通过续航约束与负载方差最小化实现任务负载的动态均衡，充分发挥了异构无人机集群的硬件性能，提升了巡检数据的价值密度。

13、在一些可能的实现方式中，通过数字孪生体根据巡检任务，生成规划航迹，包括：

14、以无人机当前位置为起点，以各巡检任务的目标位置按照语义优先级从高到低排列组成的目标位置序列为终点，在三维栅格地图中采用路径搜索算法搜索路径，生成覆盖目标位置序列的全局参考航迹；其中，三维栅格地图的栅格标记包括可飞区域、禁飞区域或障碍物；

15、以全局参考航迹为参考，进行局部航迹滚动优化，在每个控制周期内以无人机当前状态为初始条件，以飞行安全约束、感知约束和无人机机动约束为边界条件求解最优控制序列，根据最优控制序列，生成实际规划航迹，将实际规划航迹存入数字孪生体。

16、这样，通过全局参考航迹规划与局部航迹滚动优化的双层架构，将飞行安全约束与巡检感知约束共同嵌入优化目标，使得生成的航迹同时满足飞行机动安全与巡检成像要求，从根源上避免了因成像不合格导致的二次补飞，提升了巡检效率与数据质量。

17、在一些可能的实现方式中，基于规划航迹与各无人机的实时动态状态信息检测多架无人机之间的时空冲突，包括：

18、从数字孪生体中读取各无人机的规划航迹与实时动态状态信息，并根据各无人机的规划航迹和实时动态状态信息，预测各无人机在未来时间段内的位置序列；

19、根据位置序列判断多架无人机之间是否存在时空冲突，其中，若两架及以上无人机在同一时刻的预测位置之间的距离小于预设安全间隔，则判定存在时空冲突。

20、这样，通过在统一数字孪生体中进行多机航迹的时空冲突预测与检测，实现了全局视角下的冲突预判，为后续避让决策提供了准确的冲突类型、冲突区域及时间窗信息。

21、在一些可能的实现方式中，根据时空冲突的检测结果控制各无人机执行避让，避让完成后将更新后的航迹同步至数字孪生体，包括：

22、根据时空冲突的检测结果，确定冲突涉及的无人机以及冲突发生的位置区域；根据冲突涉及的各无人机的任务语义优先级，确定各无人机在本次避让中的避让优先级；

23、按照避让优先级判定各无人机的通行权，其中，任务语义优先级低的无人机避让任务语义优先级高的无人机；若任务语义优先级相同，则剩余续航时间较少的无人机优先通行；

24、基于通行权的判定结果，各无人机执行避让策略，其中，避让策略包括以下方式中的任意一种或多种组合：

25、通过调整飞行速度改变到达冲突位置区域的时间，以避开时间上的冲突；

26、在冲突位置区域附近生成偏移航点，使无人机绕开冲突位置区域后回归原航迹；

27、对冲突位置区域之后的航迹执行局部重规划，重新生成绕行航迹；

28、其中，在执行上述避让策略的过程中，机巢与无人机之间的通信状态决定调度方式：通信正常时，由机巢统一调度各无人机协调执行避让；通信异常时，各无人机根据本地存储的数字孪生体数据，按照预设的自主避让规则独立执行避让；

29、当检测到三架及以上无人机在执行避让过程中形成循环避让关系时，立即触发死锁消解机制，强制指定避让优先级最低的无人机悬停等待，其余无人机按照原避让规则继续通行，待悬停无人机满足通行条件后恢复避让；

30、所有涉及冲突的无人机均完成避让后，各无人机将各自更新后的航迹同步至数字孪生体。

31、这样，通过语义优先级驱动的避让优先级判定，保障了高优先级巡检任务的执行时效；通过机巢统一调度与无人机自主避让的双模切换，实现了通信正常时的全局协同最优与弱网环境下的本地自治，解决了现有方案在弱网下协商失效的问题；通过死锁消解机制，强制指定最低优先级无人机悬停等待，打破了循环避让关系，从根本上避免了调度死锁。

32、在一些可能的实现方式中，任务完成后获取各无人机的实际飞行数据与巡检数据，根据实际飞行数据与巡检数据对航迹规划效果进行评估，包括：

33、任务完成后，从各无人机获取实际飞行数据与巡检数据；

34、基于实际飞行数据和巡检数据，得到飞行安全指标值、巡检质量指标值、执行效率指标值和协同性能指标值；

35、根据飞行安全指标值、巡检质量指标值、执行效率指标值和协同性能指标值，得到航迹规划效果的评估结果。

36、这样，通过构建涵盖飞行安全、巡检质量、执行效率与协同性能的多维度量化评估指标体系，实现了对航迹规划效果的全方位量化评价，为后续参数与策略的迭代优化提供了客观的数据支撑。

37、在一些可能的实现方式中，对评估结果中未达预设标准的指标执行参数与策略优化，将优化结果更新至数字孪生体并同步至各无人机，包括：

38、获取评估结果及各维度的评估指标值，若任一维度的评估指标值未达预设标准，则触发对应维度的优化流程；

39、其中，若飞行安全指标未达飞行安全预设标准，则优化航迹规划的安全距离阈值与障碍物膨胀系数，并更新数字孪生体中障碍物的属性信息；

40、若巡检质量指标未达巡检质量预设标准，则调整巡检感知约束的拍摄距离区间、拍摄位姿约束范围，并迭代优化局部规划的感知约束惩罚项权重；

41、若执行效率指标未达执行效率预设标准，则优化全局规划的代价函数权重，调整任务分配的负载均衡参数；

42、若协同性能指标未达协同性能预设标准，则优化时空冲突检测的预设安全间隔、调整任务语义优先权的权重系数，并更新冲突消解规则与死锁规避策略；

43、将优化结果汇总更新至数字孪生体，并同步至各无人机。

44、这样，通过针对不同维度评估结果触发对应优化流程的差异化闭环优化机制，实现了航迹规划方法的自学习与自适配，无需人工反复调参，持续提升后续巡检任务的执行效果。

45、第二方面，提供了一种多无人机协同巡检航迹规划装置，包括：

46、第一处理模块，用于构建巡检场景的数字孪生体，数字孪生体包括各无人机的实时动态状态信息，将实时动态状态信息与实时采集的环境感知数据分别与数字孪生体进行时空配准后同步至各无人机；

47、第二处理模块，用于基于数字孪生体中的巡检目标实体生成各巡检任务，将各巡检任务分配至各无人机，通过数字孪生体根据巡检任务，生成规划航迹；

48、第三处理模块，用于基于规划航迹与各无人机的实时动态状态信息检测多架无人机之间的时空冲突，根据时空冲突的检测结果控制各无人机执行避让，避让完成后将更新后的航迹同步至数字孪生体；

49、第四处理模块，用于任务完成后获取各无人机的实际飞行数据与巡检数据，根据实际飞行数据与巡检数据对航迹规划效果进行评估，对评估结果中未达预设标准的指标执行参数与策略优化，将优化结果更新至数字孪生体并同步至各无人机。

50、第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；一个或多个存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述一个或多个存储器中，所述一个或多个程序包括指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述配置设备执行如第一方面所述的方法。

51、第四方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有指令，所述指令在由计算机执行时使得所述计算机实施第一方面或第二方面所述的方法。

52、第五方面，提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品存储有指令，所述指令在由计算机执行时使得所述计算机实施第一方面或第二方面所述的方法。

53、第二方面至第五方面的有益效果可参考上文对第一方面的有益效果的介绍，在此不再赘述。