无人机航线规划方法研究

摘要：本文从线路选线航空摄影航线设计入手,对航空摄影工作的航线规划设计方法展开讨论和研究,旨在促进航空摄影规划与设计工作的发展。

关键词：无人机 航路规划 设计 

引言

利用各类型的无人机进行低空大比例尺数码航空摄影测量是近两、三年才开始发展的高新设备和技术，能用于此类作业的机型主要是固定翼无人机和无人直升机。长期以来,航空摄影一直是和国家测绘部门、气象部门获取国内地面信息的主要手段。航空摄影是一项涉及多组织多工序协调作业的综合性系统工程,不仅涉及飞行摄影,而且包括技术性很强的规划设计工作。航空摄影规划设计是航空摄影工作中的一项重要内容,其精度高低、自动化程度和设计速度将直接影响航空摄影的质量和效益。

无人机航测发展过程及特点

2.1无人机航测发展过程

无人机起源于第一次世界大战期间，最早被用于战场侦察监视。2005 年，由我国研制的高端多用途无人机遥感系统首飞实验成功，并且，该系统在飞行性能、导航控制精度、通信与装备，以及在系统集成、智能化和高分辨率空间数据获取等方面，达到了实用化水平。2009 年，国家重点项目“高精度轻小型航空遥感系统核心技术及产品”启动会在北京举行，该系统的相关产品已在北京的 “十一五”国家重大科技成就展上亮相。2010 年国家测绘局开始实施已发布的有关无人机航摄要求的测绘行业标准，包括《数字航摄仪检定规程》、《无人机航摄安全作业基本要求》、《无人机航摄系统技术要求》、《低空数字航空摄影测量内业规范》、《低空数字航空摄影测量外业规范》及《低空数字航空摄影规范》等。低空遥感技术是近年来在遥感技术基础上迅速发展起来的地理信息数据快速获取技术，该技术利用无人飞机平台搭载航空数码相机进行航空摄影，可以进行自动导航，在1000米以下进行低空作业。

2.2无人机特点

作为对地观测技术应用的飞行平台，用以装载各种小型对地观测仪器，可在任何时间飞临任何地点的上空，执行包括科研试验和业务操作等几乎所有类型的遥感飞行任务。作为对地观测应用中最为普通、最易获得的平台，无人机航空遥感技术在世界范围内得到了广泛的应用。据不完全统计，目前世界上 30 多个国家和地区研制出了 50 多种无人机，无人机型号超过 300 余种，55 个国家装备了无人机。

图2.1 无人飞机

图2.2无人机航空摄影系统结构

无人机航测技术作为一项空问数据获取的重要手段，具有适用地形广泛、影像实时传输、高危地区探测、成本低、快速高效、使用机动灵活，以及用于补充地面测量、卫星遥感和有人机航空测量等大、中比例尺测图等优势。虽然无人机具有操作轻便、机动灵活、价格便宜等优点，但由此带来的体积小、载荷轻等缺点，使得无人机遥感影像和普通航空影像之间产生一定的差异，并且对无人机航空摄影测量的操作要求也更为严格。一般来说，无人机遥感系统的主要特点是使用非量测相机、飞行姿态不稳定、像幅小、基高比小、重叠度大等。

三航路规划方法

3.1确定大致的航线覆盖范围和高度

对区域实现航线设计，必须先展开无人机航空拍摄的精确数据。包括航线覆盖范围的大小、行高的大小及精确航线的定位。以航摄比例尺分母m=6 000,像幅0. 25 m×0. 25 m为例,基准面上像幅覆盖为:

0.25×6000=1500（m）

半张像片有效覆盖: 

1 500/2-90=660(m) 

 其中90m为测绘工作边线距像片边缘的实地距离。

以西气东输线路选线航空摄影航线设计为例,根据测绘工作边线距线路中心点的距离不大于400m的要求,则航线偏离线路中心的最大距离为:

660-400=260(m)

这样,就可以绘出一条参考航线,并根据这条参考航线来确定这条航线所覆盖的大致范围。

3.2结合实地 明确实地和环境

确定无人机需要完成任务的区域,明确地形信息以及威胁源分布的状况以及无人机的性能参数等各种实际条件。有时可以在系统中打在电子地图。电子地图在无人机的航路规划中发挥着十分重要的作用，它是融合了计算机图形学、数据库、地理信息系统等各种技术的一种地图表现形式。数字地图是完成这些判断的基本依据,数字地图可以显示出飞行过程中的各种障碍数据，并计算出其具体的地理位置，为无人机顺利完成任务提供可能。可以说，数字地图在整个航路规划的过程中都是特别重要的。目前光栅位图和矢量形式这两种是数字地图的使用格式。如基于图形的航路规划方法中,首先根据一定的规则将飞行环境表示成由一系列飞行航路组成的网络图,然后根据特定的评价函数对网络图进行航路搜索,最后得到连接起始点和目标点的“最优 ”航路。无人机对某区域进项路航规划。某测绘单位对测区面积约为 8km2。测区平均海拔 900 米，处于一个小盆地，规划了像片重叠度设计为航向 70％，旁向 40％，地面分辨率 0.1 米，相对航高 547米。正射影像拍摄设计了 11 条航线（图 3-1），每条 26 张，共计 286 张。倾斜影像拍摄设计了 20 条航线，每条 26 张，共计 520 张。两种拍摄的第一条航线都是由北向南，航向都是由西向东。路航规划必须考虑当地的环境、风向、任务拍摄精确程度等。

图3.1 航路规划

3.3采用适当的算法

采用航路规划算法,按任务要求对目标进行分配及对无人机的航路进行规划,在一定环境范围内，规划处可供参考的航行线路。飞行之前的任务级别规划主要通过计算机技术的各种计算，多次长时间地完善得出的最佳航路，有时机内平台还可以依靠携带的电子地图、参数库等显示出实际情况以便做出灵活应对。目前的算法也很多，比较常用的有启发式算法,主要是要缩小搜索范围以把复杂问题简单化，其方式就是利用问题拥有的启发信息来引导搜索，可以计算出无人机的最短路径；用Dijkstra算法进行最优搜索,形成最优路径航路点序列,最终生成水平整体最优航路；还有遗传算法、蚁群算法等。

3.4提交多种路航方案 择优录取

在多种航路规划方案中，选出最好方案。方案应要满足无人机的最小转弯半径、飞行高度等性条件。还有较小的雷达发现概率,形成可供无人机飞行的航路。在实际操作中，要分析具体实际情况具备灵活及时的航路重新规划能力。分成任务级和战术级是无人机航路规划的两个级别。两者的最大区别就是任务级别是飞行之前就规划好的，具有参考价值，而后者则是飞行过程中的，会不断地发生变化，具有实用性。 

目前无人机所要执行任务越来越复杂,环境的不确定性,对航路规划的要求也将越来越高。不确定环境下的实时航路规划将是未来的研究重点,首要解决弱实时的航路规划,其次要解决战术级的强实时的航路规划问题。当一种方法无法满足航路规划要求时,高效的全局搜索方法和局部搜索方法的混合使用将是一种趋势。 

小结

 综上所述，无人机航路规划过程复杂,在实际操作中还会遭遇更多的不可预知的环境，需要更加合理和精确的地形库表示系统,并且要更加精确的威胁源表达方式并且要充分考虑无人机的性能因素的。希望能为相关领域提供些许参考，以体现笔者成文价值。

参考文献 

[1]李素娟. 无人机航路规划及评价方法研究[D].南京航空航天大学,2012.

[2]柳长安. 无人机航路规划方法研究[D].西北工业大学,2003.

[3]单敏瑜. 无人机航路规划算法研究与应用[D].江南大学,2009.

[4]杨力. 无人机航路规划技术研究[D].南京航空航天大学,2009.