一种无人机任务规划辅助决策方法与流程

1.本发明涉及无人机领域，特别涉及一种无人机任务规划辅助决策方法。


背景技术：

2.当下，无人机应用业务的广泛性，使得其飞行航线复杂多变，与有人机不同，无人机在执行任务时，绝大部分情况下是按照事前规划的路线进行飞行，这使得其任务航路的规划及其重要，尤其某些特殊任务，更需要低空飞行，所以能否安全、高效进行航路规划，一定程度上决定着飞行任务能否成功。大型无人机在中小范围内进行作业，为达到较高的数据传输效率，其通信方式多半是地面控制站到无人机接收的视距传输，其独特的传播机制，导致信号接收受地形和地球曲率的影响极大，这也是在进行任务规划时主要考虑的因素。
3.目前，市面上有一些软件能进行航路的通视、安全检查，但是都是在航路建立之后才能知道此航路是否合理，这样会使得任务航路的建立效率变得低下。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，提供了一种无人机任务规划辅助决策方法，在进行航路规划前，通过预设飞机高度，对区域进行线性通视分析，结合任务，给出航点选址范围，在进行航路规划时，进行区域进行检查，并生成安全高度图，从而对任务航路的规划上起到辅助决策作用。
5.本发明采用的技术方案如下：一种无人机任务规划辅助决策方法，基于dem实现，包括：步骤1、以地面站为圆心，建立圆形范围检查区域，在该区域内进行采样；步骤2、对每个采样点进行线性传播计算，得到地面站在每个点的线性通视高度和视距极限高度，从而确定每个采样点的安全高度，其中，安全高度为线性通视高度和视距极限高度中的最大值；步骤3、对圆形范围检查区域进行图像拉伸变换及采样点排列，形成一幅矩形图像；矩形图像中每个采样点通过像素颜色表征安全高度；步骤4、遍历圆形范围检查区域形成的圆形图像内所有像素点，对每个像素点进行坐标变换确定其在矩形图像中的坐标值，从而获取圆形图像对应像素点的像素颜色值，最终得到用颜色表征圆形安全高度图像；步骤5、将圆形安全高度图像映射到地图上，在无人机安全飞行区域中进行航路规划时，并通过鼠标滑动实时显示所处位置的安全高度进行航点高度规划。
6.进一步的，在步骤5之前，还包括生成区域通视图以提高航路规划效率，具体过程为：设置预设飞行高度，遍历圆形范围检查区域内所有采样点，并将每个采样点的采样高度与预设飞行高度进行比较，采用颜色1连接所有连续的满足预设飞行高度≥采样点高全高度的采样点，采用颜色2连接所有连续的满足预设飞行高度《采样点高全高度的采样点，得到由颜色1与颜色2填充的区域通视图；在航路规划时，对于区域通视图中颜色1填充的区
域，直接设置飞行高度大于预设飞行高度即可。
7.进一步的，所述步骤1中，采样过程为：预先确定采样分度与采样间距，根据采样分度确定各个采样方向，再以地面站为起点沿各个采样方向以采样间距进行采样，得到以地面站为圆心的圆形范围检查区域内的所有采样点。
8.进一步的，所述步骤2中，线性通视高度计算过程为：对于其中一个采样方向，以圆心为原点，以采样点到地面站的距离为x轴，海拔高度为y轴，建立坐标系，从地面站开始以采样间距得到每一个采样点p0、p1、p2…
pi，计算地面站到每个采样点连线的斜率k0、k1、k2…ki
，对于其中一个采样点n，若采样点之前没有遮挡点，即kn≥max(k0,k1…kn-1
)，则采样点n的线性通视高度为该点的地形高度；若此采样点之前存在遮挡点m，即kn≤max(k0,k1…kn
)=km，则采样点n的线性通视高度为地面站与遮挡点m连线形成的直线在采样点n处的高度取值，重复该过程即可得到该方向上所有采样点的线性通视高度；其他采样方向同理。
9.进一步的，所述步骤2中，视距极限高度计算方法为：其中，表示采样点到地面站的距离，单位：km，c表示距离修正系数，表示地面站发射天线高度，单位：m，表示视距接收天线高度，即视距极限高度，单位：m。
10.进一步的，所述步骤3具体过程为：在以地面站为圆心的圆形范围检查区域中，以正北方向左侧第一个采样方向为第一列，圆心为第一行，取得每一个采样点，逆时针得到所有的采样点，得到每一列像元，并通过获取每一个采样点的行、列号及其安全高度值，将安全高度值作为像元值，得到矩形图像中每个采样点位置和像元值的映射关系f1(x,y)，同时获取所有采样点的安全高度范围，建立安全高度与颜色rgb值的映射关系q(h)，形成通过像素颜色表征安全高度的矩形图像。
11.进一步的，所述步骤4的具体过程为：对于圆形图像中的每个像素，由像素坐标点转换为极坐标，再转换为矩形图像下的坐标值，再根据矩形图像下的坐标值及映射关系f1(x,y)采用双线性插值的方法计算圆形图像中对应像素的像元值，根据安全高度与颜色rgb值的映射关系q(h)得到该像素对应的颜色rgb值；重复该过程即可得到用颜色表征安全高度的圆形安全高度图像。
12.进一步的，像素坐标点转换为极坐标，再转换为矩形图像下的坐标值方法为：其中，u表示圆形图像外接正方形的边长；x
圆
、y
圆
分别表示圆形安全高度图像中某一像素坐标；θ表示点在极坐标中与正北方向逆时针夹角；ρ表示点在极坐标中的极径；x
矩
、y矩
分别表示矩形图像中像素坐标；表示矩形图像的宽，即列数；表示矩形图像的高，即行数。
13.进一步的，圆形图像中对应像素的像元值的计算方法为：对于像素点（x
圆
，y
圆
），其对应像元值f(x
圆
,y
圆
)=(1-p)*(1-q)*f1(x1,y1) p*(1-q)*f1(x1 1,y1) (1-p)*q*f1(x1,y1 1) p*q*f1(x1 1,y1 1);其中，x1为x
矩
向下取整，y1为y
矩
向下取整，p=x
矩-x1，q=y
矩-y1。
14.进一步的，所述步骤5的具体过程为：将得到的圆形安全高度图像绘制到地图上，在圆形图像范围内实时获取鼠标当前的屏幕坐标(x
屏
,y
屏
)，通过获取圆形安全高度图像外接正方形左上屏幕坐标(a1,b1)，右下角坐标(a2,b2)，从而得到圆形安全高度图像中该点对应的坐标(x
圆
,y
圆
)，根据(x
圆
,y
圆
)即可计算得到屏幕坐标(x
屏
,y
屏
)处对应的安全高度；其中，，。
15.与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：在航路规划前进行区域线性通视分析，能快速完成航路选址，进行区域安全检查，可对飞行区域有一个全面的了解，更便于航路航点飞行高度快速确定，可提高航路规划的效率；通过自定义采样，在dem数据精度范围内，可做到检查精度可控；通过极坐标转换和屏幕坐标映射，可实时获取每个像素点飞机的最低安全高度，较直观的结果展现形式，在进行任务规划或者航路检查时，可以作为一种佐证，能更好的避免航路规划问题，对于无人机任务规划起到很好的辅助决策作用。
附图说明
16.图1为本发明提出的无人机任务规划辅助决策方法流程图。
17.图2为本发明一实施例中采样示意图。
18.图3为本发明一实施例中通视高度坐标示意图。
19.图4（a）、图4（b）分别为本发明一实施例中矩形图像与圆形图像。
20.图5为本发明一实施例中屏幕坐标映射示意图。
21.图6为本发明一实施例中安全高度图。
具体实施方式
22.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
23.实施例1目前，在无人机进行航路规划时的辅助功能很少，更多的是在航路规划完成后，再对航路进行检查，在实际使用过程中，航路检查的滞后性可能会导致“规划-》检查”这一过程重复多次，影响航路规划效率；同时在航线的规划时，不仅要考虑地形对视距传输的阻挡，还要考虑地球曲率的影响，两者都会导致信息传输中断。若能在航路规划的规划前或者规划过程中，有相关的功能辅助，则可避免这一问题。
24.基于此，本实施例提出了一种无人机任务规划辅助决策方法，基于dem实现，通过确定地面控制站的位置，考虑地形和地球曲率对无线视距的传输影响，进行精度可控的区域安全检查，并通过图像处理方法，获取直观结果，更便于任务规划，如图1所示，具体步骤如下：步骤1、以地面站为圆心，建立圆形范围检查区域，在该区域内进行采样；步骤2、对每个采样点进行线性传播计算，得到地面站在每个点的线性通视高度和视距极限高度，从而确定每个采样点的安全高度；步骤3、在圆形范围检查区域从正北方向“剪开”，进行图像拉伸变换及采样点排列，形成一幅矩形图像；矩形图像中每个采样点通过像素颜色表征安全高度；步骤4、遍历圆形范围检查区域形成的圆形图像内所有像素点，对每个像素点进行坐标变换确定其在矩形图像中的坐标值，从而获取圆形图像对应像素点的像素颜色值，最终得到用颜色表征圆形安全高度图像；步骤5、将圆形安全高度图像映射到地图上，在无人机安全飞行区域中进行航路规划时，并通过鼠标滑动实时显示所处位置的安全高度进行航点高度规划。
25.具体的，在步骤1中，如图2所示，预先确定采样分度α与采样间距
△
x，根据采样分度确定各个采样方向，再以地面站o为起点沿各个采样方向以采样间隔进行采样，得到以地面站为圆心的圆形范围检查区域内的所有采样点，其中，圆形范围检查区域的半径r可根据实际需求进行调整。
26.在本实施例中，提出了具体的线性通视高度计算方法：选取正北方向左侧α/2为第一个方向，以圆心为原点，以采样点到地面站的距离为x轴，海拔高度为y轴，建立坐标系，如图3所示，从地面站开始以采样间距
△
x得到每一个采样点p0、p1、p2…
pi，计算地面站(0,h0)到每个采样点连线的斜率k0、k1、k2…ki
，基于此，对采样点的线性通视高度进行计算：对于其中一个采样点n，若采样点n之前没有遮挡点，即kn≥max(k0,k1…kn-1
)，则采样点n的线性通视高度为该点的地形高度；若此采样点之前存在遮挡点m，即kn＜max(k0,k1…kn
)=km，则采样点n的线性通视高度为地面站(0,h0)与遮挡点m连线形成的直线l1在采样点n处的高度取值hm，重复该过程即可得到该方向上所有采样点的线性通视高度；其他采样方向采样点的线性通视高度采用同样的方式获取。
27.视距传播方式仅限于视线距离以内，由于地球的曲率使电磁波传播存在一个极限视线距离，由此，视距极限高度计算方法为：其中，表示采样点到地面站的距离（即图3中横轴的值），单位：km，c表示距离修正系数，在本实施例中，仅考虑地球曲率的影响，c取3.57，表示地面站发射天线高度，单位：m，表示视距接收天线高度，单位：m，即视距极限高度。
28.基于采样点的线性通视高度与视距极限高度，即可得到安全高度，本实施例中，安全高度取线性通视高度与视距极限高度中的最大值。
29.在本实施例中，矩形图像获取过程为：在以地面站为圆心的圆形范围检查区域中，以正北方向左侧第一个采样方向为第一列，圆心为第一行，取得每一个采样点，逆时针得到所有的采样点，得到每一列像元，并通过获取每一个采样点的行、列号及其安全高度值，将
安全高度值作为像元值，得到矩形图像中每个采样点位置和像元值的映射关系f1(x,y)，同时获取所有采样点的安全高度范围，建立安全高度与颜色rgb值的映射关系q(h)（在本实施例中，映射关系q(h)根据显示效果自定义），形成通过像素颜色表征安全高度的矩形图像。
30.进一步的，步骤4中，如图4（a）、图4（b）所示，对于圆形图像中的每个像素，由像素坐标点（x
圆
，y
圆
）转换为极坐标(ρ,θ)，再转换为矩形图像下的坐标值(x
矩
,y
矩
)，再根据矩形图像下的坐标值(x
矩
,y
矩
)及映射关系f1(x,y)采用双线性插值的方法计算圆形图像中对应像素的像元值，最后根据安全高度与颜色rgb值的映射关系q(h)得到该像素对应的颜色rgb值；重复该过程即可得到用颜色表征安全高度的圆形安全高度图像。
31.其中，坐标转换过程(x
圆
,y
圆
)-》(ρ,θ)-》(x
矩
,y
矩
)，具体为：其中，u表示圆形图像外接正方形的边长；x
圆
、y
圆
分别表示圆形安全高度图像中某一像素坐标；θ表示点在极坐标中与正北方向逆时针夹角；ρ表示点在极坐标中的极径；x
矩
、y
矩
分别表示矩形图像中像素坐标；表示矩形图像的宽，即列数；表示矩形图像的高，即行数。
32.由于求得的矩形图像的像素坐标值可能不是整数（即圆形图像坐标点在矩形图像中找不到精确的对应点）,所以需要通过插值的方法，得到此圆形图像的像元值，本实施例中采用双线性插值方法,既能避免图像出现锯齿和明显的不连续现象,又能更好的保留横向和纵向的纹理信息，还能满足计算效率。
33.对于像素点（x
圆
，y
圆
），其对应像元值f(x
圆
,y
圆
)=(1-p)*(1-q)*f1(x1,y1) p*(1-q)*f1(x1 1,y1) (1-p)*q*f1(x1,y1 1) p*q*f1(x1 1,y1 1)；其中，x1为x
矩
向下取整，y1为y
矩
向下取整，p=x
矩-x1，q=y
矩-y1。
34.通过上述过程即可根据圆形图像中任一像素点所对应的像元值，即安全高度值。
35.由此，设置圆形图像外接正方形边长为，遍历圆内所有像素点，得到每一个像素点对应的像元值，再通过映射关系q(h)，得到用颜色表征安全高度的圆形安全高度图像。
36.最后，为了进一步的方便航路规划，如图5所示，将得到的圆形安全高度图像绘制到地图上，实时获取鼠标当前的屏幕坐标(x
屏
,y
屏
)，通过获取圆形安全高度图像外接正方形左上屏幕坐标(a1,b1)，右下角坐标(a2,b2)，从而得到圆形安全高度图像中该点对应的坐标(x
圆
,y
圆
)，即可通过前述过程根据(x
圆
,y
圆
)计算得到屏幕坐标(x
屏
,y
屏
)处对应的安全高度；其中，，。
37.基于此，通过滑动鼠标即可得到鼠标处对应的安全高度值，进行航路规划则可直接根据安全高度设置航点高度，保证飞行任务安全。
38.实施例2本实施例在实施例1的基础上实现，提出了进一步提升航路规划效率的方法：在步骤5之前，还包括生成区域通视图，具体过程为：设置预设飞行高度，遍历圆形范围检查区域内所有采样点，对于其中一个采样方向，将所有采样点的采样高度与预设飞行高度进行比较，采用颜色1连接所有连续的满足预设飞行高度≥采样点高全高度的采样点，采用颜色2连接所有连续的满足预设飞行高度《采样点高全高度的采样点，其余采样方向采用同样的方式处理，得到由颜色1与颜色2填充的区域通视图；在航路规划时，对于区域通视图中颜色1填充的区域，直接设置飞行高度大于预设飞行高度即可，基于区域通视图进行航路规划能够大大提升效率。
39.在本实施例中，还提出了应用该辅助决策方法的航路规划过程，具体如下：1、在进行无人机飞行航路规划之前，通过任务规划软件加载任务规划区域dem。
40.2、输入预设飞行高度以及地面站位置信息和采样信息，计算得到每个采样点的位置。
41.3、通过采样点位置，得到该点的dem，通过地面站位置和采样点信息，求得每个采样点线性通视高度。
42.4、计算每个采样点的视距极限高度，通过线性通视高度和视距极限高度，取最大值，从而求得对应采样点的安全高度。
43.5、通过上一步求得的安全高度和预计无人机飞行高度，求得每一个采样点是否满足要求，并采用不同颜色线（本实施例中，采用颜色1与颜色2）连接，得到区域通视图。
44.6、基于所有采样点及其安全高度，按正北方向逆时针，由圆心到圆外依次排列，得到矩形图像。
45.7、根据矩形图像与圆形图像的关系，得到圆形安全高度图像。
46.8、通过输入圆心(地面站)和半径，实现地理坐标=》屏幕坐标转化，并将圆形安全高度图像绘制在地图上。
47.9、获取鼠标当前屏幕坐标，通过屏幕坐标映射，得到安全高度矩形图像的像素坐标，并返回该点的安全高度，如图6所示。
48.10、在进行无人机航路规划，在区域通视图中颜色1所处区域，最低安全高度设计为预设飞行高度，颜色2所处区域则根据鼠标返回的安全高度进行设置；在离地爬升阶段或者航点垂直高度起伏较大的地方，通过圆形安全高度图像返回的值，评判该点的规划航点海拔高度设置值是否安全，从而在规划前的航路路线选择和规划时航点高度设计时起到辅助决策功能。
49.实施例3本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其中，所述程序指令被处理器执行时用于实现实施例1或实施例2提出的无人机任务规划辅助决策方法对应的过程。
50.实施例4本实施例还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能
够被处理器加载并执行如实施例1或实施例2提出的无人机任务规划辅助决策方法对应的计算机程序。
51.需要说明的是，在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
52.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。