本發(fā)明涉及無人航線規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的無人機作業(yè)一般是由地面站系統(tǒng)進行管理，地面站系統(tǒng)作為管理者，在進行航線規(guī)劃之后，將規(guī)劃好的航線通過電臺發(fā)給無人機上的飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃的航線控制無人機執(zhí)行飛行任務(wù)，執(zhí)行過程中實時將航跡點信息發(fā)送給地面站系統(tǒng)，地面站系統(tǒng)實時接收飛控系統(tǒng)發(fā)送的航跡點信息，在飛行任務(wù)結(jié)束后生成作業(yè)文件。

現(xiàn)有的無人機作業(yè)的管理模式存在如下缺點：1、通過地面站系統(tǒng)在作業(yè)現(xiàn)場進行航線規(guī)劃時，一般只能依賴于本機的數(shù)據(jù)庫，如果通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，會增加不少的成本。而隨著作業(yè)區(qū)域的變化，地面站系統(tǒng)需要不斷地更新數(shù)據(jù)庫。2、地面站系統(tǒng)只能管理和監(jiān)控該地面站控制的一個或少數(shù)幾個無人機。在工業(yè)領(lǐng)域中，有時候需要記錄特定區(qū)域中的特定航點，當環(huán)境發(fā)生變化時，要求無人機能夠在特定航點進行重復(fù)性任務(wù)。

因此，本領(lǐng)域需要一種無人機飛行軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和方法來解決現(xiàn)有無人機作業(yè)管理中存在的上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行方法及其系統(tǒng)，以解決上現(xiàn)有無人機航線管理成本高及重復(fù)性差的技術(shù)問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行方法，包括以下步驟：

步驟s1.獲取待飛行地形的各個航點，構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫；

步驟s2.讀取所述待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫中無人機預(yù)定起點和預(yù)定終點之間的航點，基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以獲取所述待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的路線軌跡。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述步驟s1詳細包括：

通過手動控制無人飛機飛越待飛行地形的各個航點，以獲取待飛行地形的各個航點信息，構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述步驟s1是通過無飛機上的定位模塊以獲取待飛行地形的各個航點信息。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述定位模塊為gps傳感器、紅外攝像頭或紅外發(fā)射器中的一種或多種。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述步驟s2進一步還包括

步驟s2.1，基于所述航點數(shù)據(jù)庫，生成voronoi圖，以得到所述待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的待選路線軌跡；

步驟s2.2，基于voronoi圖，計算獲取每一個所述待選路線軌跡每一條邊的初始代價值；

步驟s2.3，根據(jù)所述待選路線軌跡每一條邊的初始代價值，對相鄰節(jié)點的可見性及生物信息激素強度參數(shù)初始化，基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以得到每一個所述待選路線軌跡的節(jié)點飛行概率，以獲取所述待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的優(yōu)化路徑。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述步驟s2.2中，獲取所述待選路線軌跡的每一條邊的初始代價值的計算公式為：

c(r,s)＝kca+(1-k)cb

其中：c(r,s)表示無人機沿所述voronoi圖的節(jié)點r到節(jié)點s的邊飛行的初始代價；

ca表示計算該路徑中附近航點對該路徑的代價值；

cb表示路徑的長度；

k表示權(quán)重系數(shù)，0＜k＜1。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述步驟s2.3中，獲取所述待選路線軌跡的節(jié)點飛行概率的計算公式為：

其中，pi(r,s)表示第i個螞蟻從邊l(r,s)的飛行概率，l(r,s)表示從節(jié)點r到節(jié)點s的邊，τ(r,s)表示螞蟻存儲在邊l(r,s)上的生物信息激素強度；η(r,s)表示節(jié)點s相對于節(jié)點r的可見性，c(r,s)表示邊l(r,s)的初始代價值；ji(r)表示第i個螞蟻由節(jié)點r可以到達所有可行節(jié)點的集合，這些可行節(jié)點均是由節(jié)點r的相鄰節(jié)點所構(gòu)成，且它們比節(jié)點r更接近預(yù)定終點；α表示信息啟發(fā)式因子；β表示期望啟發(fā)式因子，i表示第i個螞蟻。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述步驟s1中的航點數(shù)據(jù)庫包括每個航點的經(jīng)度和緯度信息。

本發(fā)明還提供了一種無人機自學(xué)習(xí)軌跡飛行系統(tǒng)，包括遙控器、無人機和地面控制系統(tǒng)，所述遙控器和地面控制系統(tǒng)與所述無人機無線通訊相連，其中，所述無人機包括：

無人機本體；

定位模塊，用于獲取待飛行地形的各個航點，構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫；

存儲器，用于存儲所述待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫；

控制器，用于讀取所述存儲器內(nèi)的所述待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫中無人機預(yù)定起點和預(yù)定終點之間的航點，并基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以獲取所述待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的路線軌跡；

所述定位模板、存儲器和控制器分別裝設(shè)在所述無人機本體上，且所述定位模板和存儲器分別與所述控制器電訊相連。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述定位模板包括gps傳感器、紅外攝像頭或紅外發(fā)射器中的一種或多種。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述無人機還包括與所述控制器電性連接的報警模塊，優(yōu)選，所述報警模塊包括語音報警器和/或閃光器。

在上述方案基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述無人機還包括航線提取模塊，所述航線提取模塊用于自動獲取所述無人機的飛行航線，且所述航線提取模塊通過所述控制器與所述存儲器相連，將獲取到的無人機的飛行航線存儲至所述存儲器內(nèi)。

本發(fā)明的一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行方法，通過構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫，當輸入預(yù)定起點和預(yù)定終點時，可通過蟻群算法，快速自動獲取預(yù)定起點和預(yù)定終點的軌跡路線，從而使得無人機經(jīng)過首次手動飛行后，可在自動飛行模式下，實現(xiàn)無人機可以在自動飛行模式下以最短路徑(最優(yōu)路徑)到達特定航點，實現(xiàn)無人機自動航線規(guī)劃管理，使其使用更加方便快捷。

優(yōu)選的，本發(fā)明的無人機還可以在復(fù)雜環(huán)境下根據(jù)實時情況自動選擇合適的飛行軌跡，較大程度的逼近需求的目標航點，也可以在任務(wù)完成后根據(jù)復(fù)雜的情況自動選擇降落或者返航。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行方法的流程框圖；

圖2為本發(fā)明的一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明的飛行模式的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明的本發(fā)明的voronoi圖；

圖5為本發(fā)明的螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

請參閱圖1所示，本發(fā)明提供了一種無人機自學(xué)習(xí)航點軌跡飛行方法，包括以下步驟：

步驟s1.獲取待飛行地形的各個航點，構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫；

步驟s2.讀取所述待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫中無人機預(yù)定起點和預(yù)定終點之間的航點，基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以獲取所述待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的路線軌跡。

需要說明的是，在步驟s1中，獲取待飛行地形的各個航點包括兩種，一種是目標航點(實際進行任務(wù)的航點)，另一種是手動飛行中需要為目標航點提供的輔助航點。

在工作過程中，首先通過構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫，當輸入預(yù)定起點和預(yù)定終點時，可通過蟻群算法，快速自動獲取預(yù)定起點和預(yù)定終點的軌跡路線，從而使得無人機經(jīng)過首次手動飛行后，可在自動飛行模式下，實現(xiàn)無人機可以快速最優(yōu)的飛行到特定航點的目的，實現(xiàn)無人機自動航線規(guī)劃管理，使其使用更加方便快捷。

值得說明的是，本發(fā)明無人機的飛行模式至少包括手動飛行模式、自動飛行模式、自動降落模式和自動返航模式，無人機在飛行過程中，可自動選擇不僅限于返航、降落等措施保證自身安全，如圖3所示。

其中，本發(fā)明的步驟s1詳細包括：

首先，通過手動控制無人飛機飛越待飛行地形的各個航點，以獲取待飛行地形的各個航點信息，構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫。其中，航點信息包括但是不限于經(jīng)度、緯度等數(shù)據(jù)。而步驟s1中的航點信息是通過無飛機上的定位模塊以獲取待飛行地形的各個航點信息。在無人機手動控制模式模式狀態(tài)下，可通過手動控制自動選取在任何時間任何地點記錄航點信息。

優(yōu)選的，定位模塊是gps傳感器、紅外攝像頭或紅外發(fā)射器中的一種或多種。定位過程中，通過定位模塊獲取圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理構(gòu)建待飛行區(qū)域的3d模型以提取每個航點的航點信息，從而完成構(gòu)建航點數(shù)據(jù)庫的目的。當完成了航點數(shù)據(jù)庫構(gòu)建后，無人機才能解除自動飛行模式的鎖定，進入不限于手動飛行模式的飛行模式，否則不能解除鎖定并進行不僅限于發(fā)出聲音、閃光等警報。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，本發(fā)明的步驟s2進一步還包括

步驟s2.1，基于所述航點數(shù)據(jù)庫，生成voronoi圖，利用在voronoi圖中，每個航點都有特定的邊界，可以得到待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的之間的每一個待選路線軌跡；

步驟s2.2，基于voronoi圖，計算獲取每一個待選路線軌跡的初始代價值；

步驟s2.3，根據(jù)待選路線軌跡每一條邊的初始代價值c(r,s)，對節(jié)點s相對于節(jié)點r的可見性η(r,s)以及生物信息激素強度τ(r,s)參數(shù)初始化，基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以得到每一個所述待選路線軌跡的節(jié)點飛行概率，以獲取所述待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的優(yōu)化路徑。

如圖4所示為本發(fā)明的voronoi圖，voronoi圖是由一組由連接兩鄰點直線的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形組成。n個在平面上有區(qū)別的節(jié)點，按照最鄰近原則劃分平面；每個節(jié)點與它的最近鄰區(qū)域相關(guān)聯(lián)。其中，最鄰近原則：在平面上有n個不重合航點，把平面分為n個區(qū)域，使得每個區(qū)域內(nèi)的點到它所在區(qū)域的航點的距離比到其它區(qū)域航點的距離近。voronoi圖的每條邊是由相鄰航點的垂直平分線構(gòu)成，在邊上的點到兩個航點的距離相等。

其中，步驟s2.2中，獲取待選路線軌跡的初始代價值的計算公式為：

c(r,s)＝kca+(1-k)cb；

其中：c(r,s)表示無人機沿所述voronoi圖的節(jié)點r到節(jié)點s的邊飛行的初始代價；

ca表示計算該路徑中附近航點對該路徑的代價值；

cb表示路徑的長度；

k表示權(quán)重系數(shù)，0＜k＜1。

如圖5所示，為本發(fā)明利用螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，獲取最優(yōu)路徑的流程圖。

其中，具體的過程包括假設(shè)有m架無人機，利用voronoi圖中得到的不同路徑根據(jù)螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則進行飛行，得到具體的每條路徑的實際飛行代價，并通過多次循環(huán)，直到找到最短的代價路徑，從設(shè)定的起始航點最短到達目標航點。

本發(fā)明的螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則具體是：一個人工螞蟻選擇新可行節(jié)點的概率是有兩節(jié)點間邊的代價以及生物信息激素的強度決定的。

而在步驟s2.3中，基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，所述步驟s2.3中，獲取所述待選路線軌跡的節(jié)點飛行概率的計算公式為：

其中，pi(r,s)表示第i個螞蟻從邊l(r,s)的飛行概率，l(r,s)表示從節(jié)點r到節(jié)點s的邊，τ(r,s)表示螞蟻存儲在邊l(r,s)上的生物信息激素強度；η(r,s)表示節(jié)點s相對于節(jié)點r的可見性，c(r,s)表示邊l(r,s)的初始代價值；i表示第i個螞蟻；ji(r)表示第i個螞蟻有節(jié)點r可以到達所有可行節(jié)點的集合，這些節(jié)點均是由節(jié)點r的相鄰節(jié)點，而且它們比節(jié)點r更接近目標點；α為信息啟發(fā)式因子，表示路線軌跡的相對重要性，反映了螞蟻在運動過程中所積累的信息在螞蟻運動時所起的作用；β為期望啟發(fā)式因子，表示能見度的相對重要性，反映了螞蟻在運動過程中啟發(fā)信息在螞蟻選擇路徑中的受重視程度。螞蟻從狀態(tài)r轉(zhuǎn)移到狀態(tài)s所選可行節(jié)點的概率會隨著生物信息激素強度的增大而增大，隨著通路代價的增大而減少。

請繼續(xù)參閱圖2所示，本發(fā)明還提供了一種無人機自學(xué)習(xí)軌跡飛行系統(tǒng)，包括遙控器、無人機和地面控制系統(tǒng)，遙控器和地面控制系統(tǒng)與無人機無線通訊相連，其中，本發(fā)明的無人機包括：

無人機本體，用于完成無人機的飛行；

定位模塊，用于獲取待飛行地形的各個航點，構(gòu)建待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫；

存儲器，用于存儲待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫；

控制器，用于讀取存儲器內(nèi)的待飛行地形的航點數(shù)據(jù)庫中無人機預(yù)定起點和預(yù)定終點之間的航點，并基于螞蟻狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，以獲取待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的路線軌跡；

定位模板、存儲器和控制器分別裝設(shè)在無人機本體上，且定位模板和存儲器分別與控制器電訊相連。

而本發(fā)明的無人機本體具有多種飛行模式，而該飛行模式至少包括手動飛行模式、自動飛行模式、自動降落模式和自動返航模式，無人機在飛行中發(fā)生故障可自動選擇不僅限于返航、降落等措施保證自身安全，并確保每次相同任務(wù)有一定精度。

使用時，當首次飛行待飛行區(qū)域時，無人機的自動飛行模式是鎖定的。此時，需將無人機切換至手動狀態(tài)，利用遙控器與無人機上的控制器進行通信，通過遙控器控制無人機飛過待飛行區(qū)域，然后，利用無人機本體上的定位模塊獲取待飛行區(qū)域上的航點信息并將其存儲至存儲器內(nèi)，以完成航點數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，解除無人機的自動飛行模式。當進行下一次在上述的飛行區(qū)域飛行時，無人機可進入自動飛行模式，根據(jù)輸入的預(yù)定起點和預(yù)定終點，自動檢索存儲器內(nèi)的航點信息，通過蟻群算法，規(guī)劃處待飛行地形的預(yù)定起點和預(yù)定終點的軌跡路線，實現(xiàn)自動重復(fù)性飛行，一方面可有效提高無人機飛行軌跡的管理效率，另一方面還可以有效確保飛行的準確性，保證無人機自動重復(fù)性飛行至預(yù)定終點重復(fù)性采集數(shù)據(jù)。

值得說明的是，本發(fā)明的無人機具有多種可切換的飛行模式，至少在自動飛行模式下無人機可以自動讀取航點進行任務(wù)軌跡規(guī)劃并根據(jù)不僅限于風(fēng)速等原因?qū)崟r調(diào)整飛行軌跡，盡可能精確地在有限時間內(nèi)到達飛手設(shè)定的航點。如果無法讀取航點，將無法自動飛行，無人機發(fā)出不僅限于聲音、閃光燈等警報，并自主根據(jù)情況選擇自動降落或自動返航。

其中，本發(fā)明的定位模板包括gps傳感器、紅外攝像頭或紅外發(fā)射器中的一種或多種。定位過程中，通過定位模塊獲取圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理構(gòu)建待飛行區(qū)域的3d模型以提取每個航點的航點信息，從而完成構(gòu)建航點數(shù)據(jù)庫的目的。當完成了航點數(shù)據(jù)庫構(gòu)建后，無人機才能解除自動飛行模式的鎖定，進入不限于手動飛行模式的飛行模式，否則不能解除鎖定并進行不僅限于發(fā)出聲音、閃光等警報。

作為本發(fā)明的另一實施例，本發(fā)明的無人機還包括與所述控制器電性連接的報警模塊，優(yōu)選，報警模塊包括語音報警器和/或閃光器。使用過程中，可通過報警模塊作為無人機完成其中某一程序或者出現(xiàn)其它任何異常情況的提示。

進一步的，本發(fā)明無人機還包括航線提取模塊，航線提取模塊用于自動獲取無人機的飛行航線，且航線提取模塊通過控制器與存儲器相連，將獲取到的無人機的飛行航線存儲至存儲器內(nèi)。使用時，通過對每次任務(wù)的航點軌跡的綜合分析擬合，可得出最接近期望的航點進行航點軌跡飛行。

最后，需要說明的是，本發(fā)明的無人機可以在自動飛行模式下，到達飛手設(shè)定的航點時，可以根據(jù)航點的不僅限于起飛到目標航點、在目標航點懸停飛手設(shè)定時間、自動降落、自動返航、按特定半徑繞點飛行等命令屬性進行任務(wù)。與此同時，無人機可以在完成飛手規(guī)定的任務(wù)后，自主比較無人機可能存在的不僅限于電量不足、大風(fēng)大雨等天氣情況與航點命令屬性，自動選擇降落或自動返航并實時把位置通過不僅限于數(shù)傳等模塊回傳到地面站上。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。