《電子技術應用》
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无人机城市三维航迹规划可视化平台设计与实现
电子技术应用
刘刚1,王瑾2,周家柳2,章磊3,王珺珺2,4,罗喜伶2,4
1.浙江省交通运输科学研究院;2.北京航空航天大学 杭州创新研究院; 3.杭州迅蚁网络科技有限公司;4.北京航空航天大学
摘要: 随着无人机在城市场景下的广泛应用,针对传统路径规划算法在多个约束条件下进行无人机三维路径规划时无法兼顾多种风险、容易陷入局部最优等问题,基于真实城市建筑物数据,考虑地理围栏限制、人流密集程度和社会属性等因素,构建城市场景无人机运行环境并建立真实三维环境模型,设计了基于城市场景的无人机三维航迹规划可视化平台。该平台构建了真实环境下城市空域网格,并对网格飞行适宜度进行了量化分析,并基于该数值,采用了改进的Lazy Theta*算法对无人机航迹进行规划。通过可视化平台的实际运行,提供航迹规划的三维展示,更好地实现人机交互,是一种无人机路径规划三维可视化仿真验证的手段。
中圖分類號:U1 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234419
中文引用格式: 劉剛,王瑾,周家柳,等. 無人機城市三維航跡規(guī)劃可視化平臺設計與實現(xiàn)[J]. 電子技術應用,2024,50(9):89-93.
英文引用格式: Liu Gang,Wang Jin,Zhou Jialiu,et al. Design and implementation of a 3D UAV trajectory planning visualization platform based on urban scenarios[J]. Application of Electronic Technique,2024,50(9):89-93.
Design and implementation of a 3D UAV trajectory planning visualization platform based on urban scenarios
Liu Gang1,Wang Jin2,Zhou Jialiu2,Zhang Lei3,Wang Junjun2,4,Luo Xiling2,4
1.Zhejiang Scientific Research Institute of Transport; 2.Hangzhou Innovation Institute, Beihang University; 3.Hangzhou Antwork Technology Co., Ltd.;4.Beihang University
Abstract: With the widespread application of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in urban scenarios, traditional trajectory planning algorithms face challenges in considering multiple constraints for UAVs’ 3D trajectory planning, such as handling various risks and avoiding local optima. In this study, based on real urban building data, considering Geofence, crowd density, and social attributes, a UAV operating environment in urban settings is constructed, and a real 3D environment model is established. Then a visualization platform for 3D UAV trajectory planning in urban environments is implemented. This platform builds a grid-based urban airspace model and quantitatively analyzes the flight suitability of grids. Based on these analyses, an improved Lazy Theta* algorithm is used for UAV trajectory planning. Through the visualization platform, the 3D display of trajectory planning is provided to better realize human-computer interaction, and it also serves for simulating and verifying 3D UAV trajectory planning in real urban environment.
Key words : urban scenes;Unmanned Aerial Vehicles (UAVs);trajectory planning;3D visualization

引言

近年來,無人機已經(jīng)成為了現(xiàn)代社會中非常重要的技術和工具,在勘測、偵察、監(jiān)視、救援和投遞等各個領域廣泛應用[1-5]。其中,基于城市場景的無人機三維航跡規(guī)劃是無人機應用的重要方向之一。該方向的研究可以更好地了解城市環(huán)境,并為城市管理、安全防范、物流配送等提供支持。

一般而言,無人機的三維飛行航跡規(guī)劃是一個帶有多個約束條件的復雜多目標優(yōu)化問題[6]。基于城市場景的無人機航跡規(guī)劃面臨著許多挑戰(zhàn)。例如,城市中復雜的地形和建筑物會對無人機的飛行軌跡造成干擾,從而影響任務執(zhí)行的效果。此外,無人機的能源限制、通信延遲等問題也會對航跡規(guī)劃產(chǎn)生影響。因此,在復雜城市場景下,如何設計一種高效可靠的無人機航跡規(guī)劃系統(tǒng)成為當前研究的熱點問題。

鑒于此,本文設計了基于城市場景的無人機三維航跡規(guī)劃可視化平臺,主要特點包括:(1)構建四維城市風險地圖,針對城市空域飛行的適飛度進行量化評估;(2)結合多種約束條件,實現(xiàn)改進后的航跡規(guī)劃算法;(3)建立真實的三維環(huán)境模型,實現(xiàn)無人機三維航跡規(guī)劃的可視化。

最終平臺能夠實現(xiàn)無人機在復雜城市環(huán)境下三維航跡規(guī)劃的可視化,實現(xiàn)無人機的高效、安全、精準的任務執(zhí)行。這對于無人機航跡規(guī)劃技術的研究以及無人機的應用領域擴展都有重要意義。


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作者信息:

劉剛1,王瑾2,周家柳2,章磊3,王珺珺2,4,羅喜伶2,4

(1.浙江省交通運輸科學研究院,浙江 杭州 310005;2.北京航空航天大學 杭州創(chuàng)新研究院,浙江 杭州 310051;

3.杭州迅蟻網(wǎng)絡科技有限公司,浙江 杭州 311121;4.北京航空航天大學,北京 100191)


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