[发明专利]一种多旋翼无人机能量优化视觉覆盖轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种基于最优控制的旋翼无人机能量优化视觉覆盖轨迹规划方法。其包括：建立旋翼无人机能量消耗模型，将旋翼无人机飞行过程中的能量消耗描述为实时功率对时间的积分，建立起实时功率与旋翼无人机运动状态、起飞重量、风阻、空阻之间的对应关系；以最小化旋翼无人机能耗为性能指标，以初始状态，终端状态等作为约束，构建开环最优控制问题并求解任意两路径点之间的能量最优轨迹；把覆盖指定兴趣区域所需遍历的所有路径点记入加权图，通过启发式算法搜索得到覆盖整个兴趣区域能耗最少的覆盖轨迹。本发明可以实现客观、直接、精确的旋翼无人机视觉覆盖轨迹规划，充分考虑旋翼无人机的各种性能约束，并且提高了旋翼无人机的视觉覆盖效率。

技术领域

本发明涉及机器人运动规划领域，尤其涉及一种多旋翼无人机能量优化视觉覆盖轨迹规划方法。

背景技术

覆盖路径规划(CPP)问题，一直是机器人领域的一个热点研究问题。它不同于路径规划(PP)，大多数现有的路径规划策略都是从起点到目标点寻找可行的最优路径。然而，覆盖路径规划(CPP)的任务是确定一条路径，该路径通过感兴趣的区域或体积的所有点，同时避免障碍物。

目前的解决方案中，对于空中机器人的覆盖路径规划大多还都停留在二维平面内的规划，即假设无人机携带视觉传感器，飞行在固定高度，按照设定好的飞行模式覆盖兴趣区域。然而，在一些特定的情景中，如复杂的城市环境、地形起伏大的野外环境，简单的二维规划已经不能满足任务要求。因此，三维覆盖路径规划方法越来越被重视，这些方法都有一个共同的特点，那就是考虑被覆盖区域的三维结构或者地形变化给视觉覆盖任务带来的影响，从而采用三维规划方式来降低这些影响。

对于空中机器人来说，尤其是旋翼无人机，能量约束成为其工作能力拓展的重要阻碍。因此，与常见的最短时间覆盖路径和最短路径的覆盖路径研究不同，基于能量最优的覆盖路径解决方案具有重要意义。此类方法可以理解为以有限能量最大化覆盖范围或者在覆盖范围固定的情况下最小能量消耗。

综上所述，对于空中机器人三维覆盖路径规划方面和最优能量消耗的路径规划方面的研究越来越受重视。但是，对于将以上两者相结合的覆盖路径规划研究很少，因此提出一种基于能量优化的旋翼无人机三维视觉覆盖轨迹规划方法是十分必要的。

发明内容

本发明目的是针对现有技术没有把旋翼无人机视觉三维覆盖轨迹规划和旋翼无人机能量约束相结合考虑旋翼无人机作业效率问题，提供一种基于开环最优控制的旋翼无人机最优能量视觉覆盖轨迹规划方法。该方法通过建立旋翼无人机能量消耗模型和开环最优控制问题，可以实现客观、直接、精确的旋翼无人机视觉覆盖轨迹规划。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种多旋翼无人机能量优化视觉覆盖轨迹规划方法，包括以下几个步骤：

步骤1：对多旋翼无人机能量消耗建立模型，将无人机飞行过程中的能量消耗描述为实时功率对时间的积分，建立起实时功率与无人机运动状态、起飞重量、风阻、空阻之间的对应关系；

步骤2：构建以多旋翼无人机最小能量消耗为性能指标的最优控制问题，将旋翼无人机的动力学模型在状态空间中进行表达构成被控系统状态方程，初始状态、终端状态、控制输入约束以及特定任务下的其他要求作为约束，无人机最小化消耗能量作为性能指标；

步骤3：对任意两个路径点通过采用最优控制方法进行最优能量轨迹规划，并将规划出的轨迹和对应消耗的能量记入加权图；

步骤4：通过启发式算法搜索加权图得到兴趣区域能量最优的视觉覆盖轨迹。

本发明的有益效果：

第一，本发明中充分考虑了旋翼无人机消耗的实时功率与旋翼无人机运动状态、起飞重量、风阻、空阻之间的对应关系，可以建立精确的旋翼无人机能量消耗模型。