基于通行空间建模的隧道无人机路径规划方法及系统与流程

本发明属于无人机路径规划领域，具体涉及一种基于通行空间建模的隧道无人机路径规划方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、隧道内部属于典型的卫星导航信号受限甚至失效环境，空间结构通常表现为纵向延伸明显、横向净空有限、顶部附属设施密集、局部障碍多发且光照条件复杂。在此类受限空间中，无人机在执行巡检或检测任务前，通常需要预先规划一条从起点至目标区域的连续路径，以避免与隧道壁面、顶部设备、管线、灯具、检修设施及临时障碍物发生空间冲突。

3、现有无人机路径规划方法多建立在二维栅格地图、简化几何模型或普通三维占据地图基础之上。在开阔空间或结构较为简单的环境中，上述方法具有一定适用性。但在隧道等地下受限空间中，仅依靠二维占据关系或简单三维障碍判断进行路径规划，往往难以充分反映横断面净空高度、贴壁风险、顶部设施占用、局部障碍分布以及相邻断面之间空间连续性等关键约束信息。因此，规划路径可能在几何上表现为连通，但在实际空间中存在贴近壁面、净空不足、横向偏移过大或局部断面不可安全通过等问题。

4、随着三维激光扫描与即时定位与地图构建（simultaneous localization andmapping，slam）技术的发展，可在隧道内部获取较为完整的三维点云数据。该类点云数据能够表征隧道轮廓、壁面边界、顶部附属设施、管线设备及局部障碍物分布，为无人机路径规划提供真实的三维先验环境信息。然而，现有技术中对三维点云的利用多集中于三维建模、结构测绘、病害检测或形变分析，较少将其进一步转化为面向无人机路径规划的结构化通行空间模型。若直接在原始点云或普通占据栅格中搜索路径，不仅计算效率较低，而且难以体现隧道横断面通行能力和纵向连续通行走廊的空间约束特征。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种基于通行空间建模的隧道无人机路径规划方法及系统，本发明将隧道三维点云转化为由横断面可通行区域、通行单元和安全飞行走廊图组成的层级化规划模型，能够在任务执行前充分考虑无人机尺寸、安全裕度、断面净空、障碍距离和相邻断面空间连续性，从而生成更加符合隧道受限空间特征的无人机规划路径。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于通行空间建模的隧道无人机路径规划方法，包括以下步骤：

4、获取隧道三维点云数据，对所述三维点云数据进行预处理和空间分层；

5、提取预处理后的三维点云数据中的隧道主轴线，并沿主轴线生成连续横断面，在各横断面内结合无人机尺寸和安全裕度，提取满足净空、障碍距离和通行宽度要求的可通行区域；

6、将各横断面内的可通行区域转化为通行单元，并根据相邻横断面之间的通行单元的空间邻接关系构建安全飞行走廊图；

7、在所述安全飞行走廊图中进行路径搜索，对搜索得到的离散航点进行轨迹平滑处理，生成连续、安全的三维规划路径。

8、作为可选择的实施方式，获取隧道三维点云数据，对所述三维点云数据进行预处理和空间分层的过程包括：获取隧道三维点云及其对应的真彩图像信息，形成彩色点云数据集，对彩色点云数据集中的数据进行下采样、离群点剔除、噪声滤波和坐标统一处理；

9、根据点云空间分布及法向特征，对点云进行分层表达，分为壁面点云、顶部点云、底部点云及附属设施点云。

10、作为可选择的实施方式，提取预处理后的三维点云数据中的隧道主轴线的过程包括：根据预处理后的隧道点云整体分布，提取隧道主延伸方向，拟合隧道主轴线，所述隧道主轴线通过对点云中心分布进行逐段拟合、对局部断面中心点进行曲线连接的方法获得。

11、作为可选择的实施方式，沿主轴线生成连续横断面的过程包括：沿所述隧道主轴线按预设间隔进行连续切片，生成多个横断面，在每一横断面内，将邻域点云投影至断面平面，获得断面轮廓、壁面边界、顶部附属设施及局部障碍分布。

12、作为可选择的实施方式，在各横断面内结合无人机尺寸和安全裕度，提取满足净空、障碍距离和通行宽度要求的可通行区域的过程包括：定义无人机等效安全半径为无人机机体等效半径和预留安全裕度之和，对于横断面内任意候选位置，其到最近壁面或障碍物的距离定义所有候选位置和占用区域中的障碍点或边界点之间向量长度最小值，当候选位置同时满足安全距离和顶部净空要求时，将其判定为可通行位置，对应横断面内的可通行位置共同形成可通行区域。

13、作为可选择的实施方式，将各横断面内的可通行区域转化为通行单元的过程包括：根据每一横断面内提取的候选通行区域，构建对应的通行单元，各横断面内的通行单元通过其所在横断面位置、对应的候选通行区域、代表中心点和通行能力指标表示，其中，将候选区域内安全距离最大的点作为通行单元代表中心点，采用瓶颈约束形式评价候选区域通行能力，将原始点云空间转化为沿隧道纵向分布的通行单元集合。

14、作为可选择的实施方式，根据相邻横断面之间的通行单元的空间邻接关系构建安全飞行走廊图的过程包括：根据相邻横断面之间通行单元的空间连续关系，构建安全飞行走廊图，所述安全飞行走廊图通过通行单元节点集合以及相邻通行单元之间的可转移边集合表示；

15、对于相邻横断面中的通行单元，若二者代表中心点之间的连接段满足安全距离要求，且横向偏移不超过允许范围，则建立连通边，并计算相邻通行单元之间的转移代价，沿隧道纵向形成连续的安全飞行走廊图。

16、作为可选择的实施方式，在所述安全飞行走廊图中进行路径搜索的过程包括：在安全飞行走廊图中，将起点所在通行单元作为起始节点，将目标区域所在通行单元作为目标节点，采用图搜索方法获得最优通行单元链条，进行路径搜索，搜索完成后，以最优通行单元链条中各通行单元的代表中心点作为路径航点，得到初始参考路径，采用bezier曲线进行轨迹平滑，对平滑后的轨迹进行安全校验。

17、作为进一步限定的实施方式，进行路径搜索的过程包括：采用改进a*算法进行路径搜索，以通行单元作为搜索节点、以相邻通行单元的安全可达关系作为边约束、以通行能力和障碍安全距离作为风险约束，并在评价函数中综合考虑累计转移代价、启发式目标代价和局部风险代价，以使搜索结果兼顾路径长度、障碍安全距离、断面通行能力和转向平滑性。

18、一种基于通行空间建模的隧道无人机路径规划系统，包括：

19、预处理模块，被配置为获取隧道三维点云数据，对所述三维点云数据进行预处理和空间分层；

20、可通行区域提取模块，被配置为提取预处理后的三维点云数据中的隧道主轴线，并沿主轴线生成连续横断面，在各横断面内结合无人机尺寸和安全裕度，提取满足净空、障碍距离和通行宽度要求的可通行区域；

21、安全飞行走廊图构建模块，被配置为将各横断面内的可通行区域转化为通行单元，并根据相邻横断面之间的通行单元的空间邻接关系构建安全飞行走廊图；

22、路径搜索模块，被配置为在所述安全飞行走廊图中进行路径搜索，对搜索得到的离散航点进行轨迹平滑处理，生成连续、安全的三维规划路径。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、与现有基于二维栅格、普通三维占据地图或简单最短路径搜索的方法相比，本发明并非直接在原始点云或二维平面上进行路径搜索，而是将隧道三维点云中包含的断面轮廓、净空条件、障碍分布和壁面距离等信息转化为面向无人机通行的结构化表达。具体而言，本发明通过横断面切片提取断面内的安全可通行区域，通过通行单元描述无人机在各断面中的可通过空间，并通过安全飞行走廊图表达相邻断面之间的可连续通行关系，从而使路径规划过程能够同时考虑局部断面可通过性和全局路径连续性。

25、本发明还通过安全飞行走廊图约束相邻通行单元之间的连接关系。只有当相邻通行单元之间的连接段满足安全距离要求，且横向偏移不超过允许范围时，才建立连通边。由此可避免无人机路径在相邻断面之间发生不合理跳变，提高规划路径的空间连续性和安全性。在路径搜索阶段，本发明采用改进a*算法，将累计转移代价、目标启发式代价和局部风险代价共同纳入评价函数，使搜索结果兼顾路径长度、障碍安全距离、断面通行能力和转向平滑性。

26、本发明基于先验三维环境模型进行任务前路径规划，不涉及无人机实时飞行控制、在线感知更新和动态重规划，适用于巡检任务执行前的路径设计、仿真验证和通行可行性分析。通过上述方法，本发明实现了从隧道三维点云到横断面可通行区域、通行单元、安全飞行走廊图以及连续飞行轨迹的完整转换，使无人机路径规划能够更充分地反映隧道受限空间的真实通行条件，具有较好的安全性、可解释性和工程应用价值。

27、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。