[发明专利]一种地下多分支洞穴的无人机探寻方法

说明书

本发明涉及一种地下多分支洞穴的无人机探寻方法，包括：获取无人机当前的状态配置，使用激光雷达传感器得到无人机当前的配置空间；使用路径采样算法在配置空间进行采样，得到无人机在配置空间内的多个路径，保留其中无碰撞的路径；根据无人机在路径终点的状态配置和配置空间计算每条路径的未来安全性，保留未来安全的路径；计算每条路径的探索收益，无人机执行探索收益最大的路径。与现有技术相比，本发明先获取多条路径，结合配置空间的障碍物信息保留无碰撞路径和未来安全路径，再选择收益最高的路径，能够以较高速度实现无人机在未知多分支隧道环境中的自主探寻，使得续航能力有限的无人机可以进行更大范围、更远路径的探索。

技术领域

本发明涉及一种无人机探寻方法，尤其是涉及一种地下多分支洞穴的无人机探寻方法。

背景技术

随着经济的发展，城市建设、桥梁隧道等基础设施建设也呈飞跃式发展。目前，很大一部分隧道和地下工程已经进入“老龄”期，需要定期检查和维护，缺乏适当的维护可能会导致结构破坏等灾难性的后果。传统的侦查技术包括沿整个结构建造支架，或使用地面车辆配合人工进行侦查工作，但是这些方式具有危险系数高、工作量大、工作环境恶劣、劳动成本密集等问题，因此，利用新技术研发一种快速高效的对隧道等地下工程检测的方法成为迫切需求。

近年来，多旋翼微型无人机由于其敏捷性，广泛应用于勘探、巡检、监视、搜索等多种应用场景，其能够利用自身的灵活性进入到人或者地面机器人难以到达的矿山、围栏、桥梁等基础设施内，探测人类无法到达的区域，因此无人机是进行隧道检测的理想工具。此外，无人机自主探索未知环境和测绘正在不断扩展到越来越多的应用领域，目前已被广泛应用于民用和军事领域。

然而，当前的无人机自主探索是很有限的，一般采用低速保守策略来保证无人机的安全航行，同时基于实时机载定位和构图功能优化选择后续无人机的飞行路径。由于无人机有限的电池寿命，续航能力不足，低速探索不能开发小型飞行机器人的全部敏捷性，使得大规模的探索难以进行。另一方面，无人机在未知多分支隧道环境中的自主路径规划与探寻策略还有待研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种地下多分支洞穴的无人机探寻方法，先使用路径采样算法得到多条路径，结合障碍物信息保留无碰撞路径和未来安全路径，再选择收益最高的路径执行，能够以较高速度实现无人机在未知多分支隧道环境中的自主探寻，使得续航能力有限的无人机可以进行更大范围、更远路径的探索。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种地下多分支洞穴的无人机探寻方法，包括以下步骤：

S1、获取无人机当前的状态配置，包括当前位置、当前速度和当前朝向，使用激光雷达传感器，得到无人机当前的配置空间，所述配置空间是无人机前方的待探索区域；

S2、使用路径采样算法在配置空间进行采样，得到多个运动序列，基于运动序列生成在配置空间内的路径，保留其中无碰撞的路径；

S3、对于每条路径，根据配置空间以及无人机在路径终点的状态配置，计算无人机在该路径的未来安全性，保留未来安全的路径，得到候选路径集；

S4、计算候选路径集中每条路径的探索收益，选择探索收益最大的路径并由无人机执行。

进一步的，步骤S1中，使用激光雷达传感器，利用实时构图与定位方法，得到当前的配置空间，采用的地图表示方法是基于截断符号距离字段的体积地图，使用欧几里德符号距离场表示无人机与障碍物的远近程度。

进一步的，步骤S2具体为：

S21、获取规划周期Τ、时间采样间隔δ、单位速度增量μ、最大飞行速度υ、最大飞行加速度α、最大飞行负加速度-α和无人机当前的状态配置；