[发明专利]一种用于城区物流无人机终端配送航路网络的规划方法

说明书

本发明公开了一种用于城区物流无人机终端配送航路网络的规划方法，包括以下步骤：基于栅格法对规划区域进行三维建模，通过在规划区域划设无人机禁止飞入的保护区，并引入栅格危险度，构建风险描述模型，用于定量描述无人机在规划区域的栅格中的运行风险；通过采集规划区域的配送需求点信息、物流网点信息、保护区位置信息以及物流无人机性能参数，构建基础信息数据集；基于风险描述模型和基础信息数据集，以最小化航路成本作为目标函数，采用基于代价函数的改进元胞自动机算法获取最优航路集，并采用最优树扩张算法获取最优航路集的部分航路作为干线和支线，构建物流无人机航路网络；本发明加快了航路搜索效率，提高了航路性能。

技术领域

本发明涉及无人机航路网络规划技术领域，是一种面向低空无人机物流运输的航路网络容量评估方法。

背景技术

物流无人航路网络是在城市低空环境下针对物流任务特点，面向物流无人机构建的航路网络。航路网络规划由航路规划和网络构建两部分组成。航路规划一般可转化为离散状态空间的路径搜索问题。先将空间进行栅格化，并根据实际情况将栅格分为可行栅格和禁行栅格，以此构建空域环境，然后采用航路搜索算法进行求解。近些年来航路搜索主要采用启发式算法，例如A*算法、人工势场法、粒子群算法以及传统的仿生算法如蚁群算法、遗传算法等。这类算法能够在一定空间范围内实现航路有效搜索，但在复杂地理环境下可能会陷入局部最优解。航路网络规划是在已知目标点间最优航路的前提下，选取部分航路有效连接所有目标点从而构建航路网络，此问题的本质是NP难问题。

物流任务条件下的城市低空航路网络有以下特点：首先，相对于高空空域环境，城市内障碍物密集、人口稠密、低空环境复杂，对无人机避障要求较高。其次，相比于传统运输飞行，面向物流任务的航路网络节点众多、分布密集，在有限空域内需尽可能满足配送需求。最后，物流无人机续航里程短、载重能力有限，航路网络应满足无人机的性能要求。因此基于复杂低空环境限制和无人机性能约束，急需提出一种城区物流无人机终端配送航路网络规划方法。

发明内容

本发明的目的是提出了一种城区物流无人机终端配送航路网络规划方法，根据需求设立配送需求点和配送网点，综合考虑复杂低空环境限制和无人机性能约束，构建目标点间的最优航路集，从中选取部分最优航路，进而规划无人机航路网络。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于城区物流无人机终端配送航路网络的规划方法，包括以下步骤：

基于栅格法对规划区域进行三维建模，通过在规划区域划设无人机禁止飞入的保护区，并引入栅格危险度，构建风险描述模型，用于定量描述无人机在规划区域的栅格中的运行风险；

通过采集规划区域的配送需求点信息、物流网点信息、保护区位置信息以及物流无人机性能参数，构建基础信息数据集；

基于风险描述模型和基础信息数据集，以最小化航路成本作为目标函数，采用基于代价函数的改进元胞自动机算法获取最优航路集，并采用最优树扩张算法获取最优航路集的部分航路作为干线和支线，构建物流无人机航路网络。

优选地，在基于栅格法对规划区域进行三维建模的过程中，设置城市低空物流无人机终端配送的区域范围，并进行三维立体栅格化建模，其中，每个栅格作为一个元胞，用坐标(x,y,z)表示，区域范围的中心视为备选航路点。

优选地，在规划区域划设无人机禁止飞入的保护区的过程中，保护区的范围为特殊区域形成的最小凸多边形向外扩展w/2所形成的区域，w为无人机轴距；

基于坐标(x,y,z)和保护区的范围，构建用于识别保护区的判断函数P，其中，判断函数为：

优选地，在构建风险描述模型的过程中，通过栅格危险度指标r定量化评估无人机的运行风险，其中，栅格危险度指标r的表达式为：

其中，u为元胞邻居的个数。