本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種城市環(huán)境下多無(wú)人機(jī)低空覆蓋式搜索任務(wù)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、城市作為經(jīng)濟(jì)和文化的中心，具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，城市環(huán)境通常建筑密集、地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的高空光電偵察方式由于視線遮擋問(wèn)題，容易造成信息丟失。因此，利用小型無(wú)人機(jī)在城市區(qū)域進(jìn)行低空全方位探測(cè)，能夠顯著提升信息采集的全面性和準(zhǔn)確性，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

2、目前的城市目標(biāo)搜索任務(wù)規(guī)劃研究主要集中于地面目標(biāo)搜索的任務(wù)規(guī)劃，通常采用固定海拔高度的無(wú)人機(jī)飛行策略，并在此前提下進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。然而，這種策略未充分考慮建筑物在特定視角下對(duì)地面目標(biāo)的遮擋問(wèn)題，導(dǎo)致部分區(qū)域的信息采集不完整。此外，城市環(huán)境中的建筑物可能作為目標(biāo)人員的藏匿地點(diǎn)，其表面同樣需要進(jìn)行重點(diǎn)掃描。因此，僅針對(duì)地面區(qū)域的搜索策略難以滿足復(fù)雜城市環(huán)境下的全面搜索需求。綜上所述，需要一種新的搜索策略，能夠充分考慮地面區(qū)域和建筑表面的搜索需求，結(jié)合多無(wú)人機(jī)協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境下高效、全面的低空覆蓋式搜索任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種城市環(huán)境下多無(wú)人機(jī)低空覆蓋式搜索任務(wù)規(guī)劃方法?；诖_保傳感器精度需求下的掃描寬度建立柵格單元長(zhǎng)度，通過(guò)高度關(guān)系實(shí)現(xiàn)地面和建筑物的分類提取，將城市覆蓋式搜索分解為對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描，并以最短任務(wù)時(shí)間為目的實(shí)現(xiàn)執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的無(wú)人機(jī)數(shù)量分配，最后分別完成各自無(wú)人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、第一方面，提供一種城市環(huán)境下多無(wú)人機(jī)低空覆蓋式搜索任務(wù)規(guī)劃方法，包括如下步驟：

4、建立搜索區(qū)域的初始柵格地圖；

5、將搜索任務(wù)拆解為對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描，并將初始柵格地圖中網(wǎng)格劃分為地面網(wǎng)格和建筑網(wǎng)格兩類；

6、基于網(wǎng)格點(diǎn)劃分結(jié)果，建立用于任務(wù)規(guī)劃的柵格地圖；

7、分別計(jì)算對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描的待掃描面積，并以面積占比作為分配準(zhǔn)則完成對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描的無(wú)人機(jī)數(shù)量分配。

8、進(jìn)一步地，根據(jù)無(wú)人機(jī)約束和地圖數(shù)字信息建立搜索區(qū)域的初始柵格地圖，包括：

9、首先，獲取搜索區(qū)域同精度的dem地圖和dsm地圖；

10、然后，計(jì)算初始柵格地圖中網(wǎng)格單元長(zhǎng)度：

11、lx＝ly＝wη

12、其中，lx和ly分別為網(wǎng)格單元的橫軸和縱軸長(zhǎng)度，w為無(wú)人機(jī)對(duì)地飛行高度為h時(shí)傳感器的掃描寬度，η為掃描時(shí)的旁向重疊率；

13、再后，判斷l(xiāng)x和ly與dem、dsm地圖精度的大小關(guān)系，若lx和ly均小于dem、dsm地圖精度，則分別對(duì)dem地圖和dsm地圖進(jìn)行插值處理，使dem、dsm地圖中橫向和縱向相鄰兩點(diǎn)間的距離小于lx和ly；

14、最后，計(jì)算初始柵格地圖中每個(gè)網(wǎng)格(i,j)的dem高度he(i,j)和dsm高度hs(i,j)，計(jì)算式分別為：

15、

16、其中，he(x,y)和hs(x,y)分別為點(diǎn)(x,y)對(duì)應(yīng)的dem高度和dsm高度，n為dem地圖和dsm地圖中滿足約束的點(diǎn)的數(shù)量。

17、進(jìn)一步地，網(wǎng)格的劃分判別式為：

18、

19、其中，he(i,j)為網(wǎng)格(i,j)的dem高度，hs(i,j)為網(wǎng)格(i,j)的dsm高度，δh1為判別高度，building為建筑網(wǎng)格集合，ground為地面網(wǎng)格集合。

20、進(jìn)一步地，基于網(wǎng)格點(diǎn)劃分結(jié)果，建立用于任務(wù)規(guī)劃的柵格地圖，包括：

21、將ground中的所有網(wǎng)格高度設(shè)為0，將building中的網(wǎng)格(i,j)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格高度設(shè)為h(i,j)＝hs(i,j)-he(i,j)-δh1；

22、對(duì)building中的網(wǎng)格進(jìn)行歸類，得到建筑物集合b＝{b1,...,bk,...,bm}，歸類方法為：

23、

24、其中，k＝1,2,...,m，m為建筑物總數(shù)量，nk和mk分別為第k個(gè)建筑物在初始柵格地圖中橫向包含的網(wǎng)格數(shù)量和縱向包含的網(wǎng)格數(shù)量，和分別為初始柵格地圖中該建筑物左下角網(wǎng)格的行向索引和列向索引，k1和k2是歸類系數(shù)；

25、最后，將bk中的所有網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格高度更新為hk＝max(h(i,j)),(i,j)∈bk，得到最終的用于任務(wù)規(guī)劃的柵格地圖。

26、進(jìn)一步地，分別計(jì)算對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描的待掃描面積，并以面積占比作為分配準(zhǔn)則完成對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描的無(wú)人機(jī)數(shù)量分配，包括：

27、根據(jù)ground網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算對(duì)地掃描的待掃描面積sg，計(jì)算式為：

28、sg＝mlxly

29、式中，m為ground集合中的網(wǎng)格數(shù)量，lx和ly分別為網(wǎng)格單元的橫軸和縱軸長(zhǎng)度；

30、以建筑外側(cè)網(wǎng)格與其相鄰的外圍網(wǎng)格的高度關(guān)系計(jì)算對(duì)建筑掃描的待掃描表面積sb，其計(jì)算式為：

31、

32、式中為建筑物bk的待掃描面積。

33、進(jìn)一步地，以面積占比作為分配準(zhǔn)則完成對(duì)地掃描和對(duì)建筑掃描的無(wú)人機(jī)數(shù)量分配，包括：

34、對(duì)地掃描的無(wú)人機(jī)數(shù)量ngu和對(duì)建筑掃描的無(wú)人機(jī)數(shù)量nbu分別表示為：

35、

36、nbu＝nu-ngu

37、其中，nu為無(wú)人機(jī)總數(shù)量，和分別表示向下取整和向上取整；ε為建筑的散布系數(shù)，滿足ε＞1。

38、進(jìn)一步地，所述方法還包括：

39、基于子區(qū)域面積迭代實(shí)現(xiàn)對(duì)地掃描任務(wù)的分配，包括：

40、step1：根據(jù)對(duì)地掃描的無(wú)人機(jī)數(shù)量ngu，對(duì)地面網(wǎng)格集合ground覆蓋的區(qū)域進(jìn)行初始劃分得到子區(qū)域集合其中每個(gè)子區(qū)域均為矩形且任兩個(gè)子區(qū)域間不存在重疊，q＝1,2,…,ngu；

41、step2：計(jì)算無(wú)人機(jī)uq飛往子區(qū)域qq中心的時(shí)間和掃描子區(qū)域qq的時(shí)間之和tq，計(jì)算式為：

42、

43、式中，v為無(wú)人機(jī)速度，lq為uq起點(diǎn)位置距離qq中心點(diǎn)的歐式距離，sq為qq的面積；

44、step3：得到時(shí)間集合分別找到max(t)和min(t)及相應(yīng)子區(qū)域索引indexmax和indexmin；

45、step4：計(jì)算差值δt＝max(t)-min(t)，若δt小于預(yù)設(shè)值或迭代次數(shù)大于最大迭代次數(shù)，則終止并輸出當(dāng)前子區(qū)域集合；

46、step5：按照從indexmin向indexmax的傳遞方向，將子區(qū)域indexmin和途徑的子區(qū)域(不包含indexmax)的一條邊向外增加一行或一列，得到新的子區(qū)域集合并回到step2。

47、進(jìn)一步地，所述方法還包括：

48、建立改進(jìn)的多旅行商模型并基于遺傳算法求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑掃描任務(wù)的分配，包括：

49、建立改進(jìn)的多旅行商模型：

50、

51、其中，seqi為無(wú)人機(jī)ui的任務(wù)序列，indv指seqi中第v個(gè)元素代表的建筑物在建筑物集合b中的編號(hào)，seqi|為seqi中元素個(gè)數(shù)；

52、以建筑物和之間的飛行時(shí)間作為邊權(quán)重，將建筑物的掃描時(shí)間作為節(jié)點(diǎn)權(quán)重，則f(seqi)計(jì)算式為：

53、

54、式中，lk,k+1為建筑物和之間的距離，v為飛行速度,為建筑物的待掃描面積；

55、以任務(wù)序列作為基因編碼進(jìn)行遺傳算法求解得到掃描建筑物的無(wú)人機(jī)的任務(wù)序列。

56、第二方面，還提供一種存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括指令，所述指令當(dāng)由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行時(shí)，使得所述計(jì)算設(shè)備執(zhí)行如上所述的城市環(huán)境下多無(wú)人機(jī)低空覆蓋式搜索任務(wù)規(guī)劃方法。

57、第三方面，還提供一種電子設(shè)備，包括一個(gè)或多個(gè)處理器、一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中一個(gè)或多個(gè)程序存儲(chǔ)在所述一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器中并被配置為由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行如上所述的城市環(huán)境下多無(wú)人機(jī)低空覆蓋式搜索任務(wù)規(guī)劃方法的指令。

58、有益效果：本發(fā)明提出的一種城市環(huán)境下多無(wú)人機(jī)低空覆蓋式搜索任務(wù)規(guī)劃方法，充分考慮了基于掃描寬度約束的柵格地圖的建立，并根據(jù)柵格地圖實(shí)現(xiàn)了地面、建筑的快速分解，該方法考慮了無(wú)人機(jī)飛行高度與傳感器精度的關(guān)系，使整個(gè)任務(wù)過(guò)程中無(wú)人機(jī)可以保持一樣的對(duì)地飛行高度；設(shè)計(jì)了地面和建筑分別由兩隊(duì)不同的無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜索掃描的策略，將原有的耦合問(wèn)題進(jìn)行了分層處理，降低了問(wèn)題求解的難度；并基于此設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)數(shù)量分配方法和任務(wù)執(zhí)行時(shí)序優(yōu)化模型，使任務(wù)時(shí)間最短?；诒景l(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的覆蓋式掃描任務(wù)快速分配。