基于二维连通图的无人机快速三维路径规划 |
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引用本文: | 潘登,郑建华,高东.基于二维连通图的无人机快速三维路径规划[J].北京航空航天大学学报,2023(12):3419-3431. |
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作者姓名: | 潘登 郑建华 高东 |
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作者单位: | 1. 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室;2. 中国科学院大学 |
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摘 要: | 针对复杂真实环境下无人机三维路径规划解算速度慢的问题,提出一种基于二维连通图的快速三维路径规划方法。首先解析真实地理环境的地形特征和建筑要素,构建基于数字高程模型(DEM)的多层次等效三维数字地图;在此基础上,经过无人机可行空域到二维连通图的转化、连通图中的路径规划及路径的三维化与优化,快速获得一条可执行的三维路径。针对连通图中的全局路径规划,设计了一种基于步长地图的变步长稀疏A*算法,在保证路径质量的同时有效降低路径搜索的时间;针对连通图中的局部路径规划,提出一种基于障碍预测的随机路标图(PRM)实时路径重规划算法,以满足无人机的实时性避障需求。分别在山地环境和城市环境中进行仿真飞行,结果表明:所提方法能够有效降低三维路径规划的解算难度,在短时间内完成复杂环境下不同尺度和需求的路径规划,全局路径规划算法同比三维A*算法和基于二维连通图的二维A*算法搜索时间分别降低了99%和95%,局部路径重规划算法能够在1 s的单次采样周期内完成路径重规划,实时躲避未知障碍物,保证飞行过程的安全。
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关 键 词: | 无人机 数字高程模型 连通图 三维路径规划 A*算法 实时避障 随机路标图算法 |
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