无人机集群的并行轨迹规划方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及无人机集群控制，尤其涉及一种无人机集群的并行轨迹规划方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、近年来，无人机不仅在社会经济，安全发展如航拍摄影、货物搬运、电力巡检、测绘勘探、紧急救援等方面扮演着重要的角色，更是在社会文化，娱乐发展中逐渐成为强有力的载体。集群灯光表演无人机能够代替烟花燃放，集成在国内各种主题公园演出、节日庆典等场景应用中。

2、灯光表演无人机集群的演出形式：首先，一个无人机编队以矩阵的排列从初始空地起飞到一定的高度；随后，无人机集群飞行到达指定表演空域，会按照提前设计好并上传到各无人机的一系列等时间间隔的定位坐标进行寻迹，当形成表演图案后进行悬停和亮灯闪烁；如此循环往复，在完成了所有要求的图案形状后，返回到初始空地正上方，最后按次序进行降落。一方面，人为给每架无人机设计路径工作量巨大，手工操作不现实。另一方面，在图案形成的过程中难点在于要保证两两无人机之间全程在空间中不发生干涉，一旦在图案形成过程中，由于相距过近，气流扰动或直接碰撞会导致无人机的坠机事故，更严重的会导致一系列无人机连环碰撞坠落，对下方空间的人员或设施设备造成严重的安全隐患。

3、在空中图案形成过程的问题描述为：如何让无人机集群从图案状态1同时且无碰撞地到达图案状态2。随着机器人集群智能技术的发展，也诞生了很多解决智能体路径规划问题的方案，例如自由空间的随机搜索、a*搜索、深度学习、领航跟随等。虽然在一定程度上解决了智能体之间的碰撞问题，形成每个智能体从初始位置到目标终点的时序轨迹，但综合分析后发现，现有的解决方法中，普遍存在以下问题：

4、第一，现有解决方案大多适用于智能体数量为20个以下的场景，多为分布式轨迹规划，但数量在20个以上及更的普遍采用集中式的计算。集中式的计算又以串行顺序模式居多，即后续的智能体避撞路径设计要在前面所有路径计算之后加入，而且要在计算全过程中频繁进行距离检测(现有方法在做路径规划中多智能体的距离判断时，往往采用单个智能体和其他所有智能体的距离判断)。

5、第二，其计算量普遍偏大，使用资源较多，一次计算过程耗时严重，影响图案设计和测试调整的效率，并且只能提前规划好飞行航点，无法向实时路径规划应用发展。

6、第三，为了保证两两无人机之间不发生碰撞，现有方法难以做到对安全和效率二者的平衡。其往往将空间裕度调整得非常大，甚至远大于无人机的安全间距，导致无人机图案路径和轨迹变换的飞行距离增加，变换效率降低，最终影响有限续航时间内支持更多图案的设计实现。

7、第四，搜索的路径为一系列离散的三维点坐标，轨迹不平滑，无人机在频繁遍历密集航点时易产生震荡，造成安全隐患，往往这些方法要求无人机的速度尽量小，但同时变换效率减少，受续航时间影响，图案的实现总数受限。

8、第五，现有方法多适用于开阔空域，无法胜任针对室内灯光表演无人机或有障碍物的复杂环境中穿越表演项目。

9、综上所述，从多智能体集群轨迹规划中，寻找无人机表演中的图案转换解决方案，虽然在一定程度上实现了图案变换的基本功能，但仍然存在如计算耗时严重，计算过程不够健壮，轨迹航点质量不高不适应无人机动力学，实际无人机执行的空间和时间效率低下，不能适应复杂场景等问题。直接增加了每次图案设计的成本，也间接增加了无人机表演提供商的服务成本。

10、因此，现有的多智能体集群轨迹规划方案存在通用性差、设计成本高的问题。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种无人机集群的并行轨迹规划方法、装置、设备及介质，旨在解决现有的多智能体集群轨迹规划方案存在通用性差、设计成本高的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种无人机集群的并行轨迹规划方法，所述方法包括：

3、根据等体积网格划分规则对所述目标空间环境数据进行等体积的网格划分，以构建得到三维网格图；

4、将所述无人机集群中每一无人机的初始图案坐标和目标图案坐标标定在所述三维网格图中，得到标定三维网格图；

5、将所述标定三维网格图输入至预设的离散规划器，得到与所述无人机集群中每一无人机分别对应的路径扩展数据以组成路径扩展数据集；

6、对所述路径扩展数据集进行路径优化，得到优化后路径扩展数据集；

7、对所述优化后路径扩展数据集中各时刻的无人机对象的空间坐标基于无人机集群的初始图案坐标集进行三角网分解得到邻接三角网，并对所述邻接三角网进行泰森分解得到基于泰森多面体的约束判据；

8、将与所述无人机集群中每一无人机对应的预设圆柱面添加至所述约束判据以生成各无人机对应的安全走廊；

9、对各无人机对应的安全走廊进行二次优化及拟合，以生成各无人机对应的平滑轨迹。

10、第二方面，本发明实施例还提供了一种无人机集群的并行轨迹规划装置，所述装置包括：

11、构建单元，用于根据等体积网格划分规则对所述目标空间环境数据进行等体积的网格划分，以构建得到三维网格图；

12、标定单元，用于将所述无人机集群中每一无人机的初始图案坐标和目标图案坐标标定在所述三维网格图中，得到标定三维网格图；

13、输入单元，用于将所述标定三维网格图输入至预设的离散规划器，得到与所述无人机集群中每一无人机分别对应的路径扩展数据以组成路径扩展数据集；

14、优化单元，用于对所述路径扩展数据集进行路径优化，得到优化后路径扩展数据集；

15、分解单元，用于对所述优化后路径扩展数据集中各时刻的无人机对象的空间坐标基于无人机集群的初始图案坐标集进行三角网分解得到邻接三角网，并对所述邻接三角网进行泰森分解得到基于泰森多面体的约束判据；

16、第一生成单元，用于将与所述无人机集群中每一无人机对应的预设圆柱面添加至所述约束判据以生成各无人机对应的安全走廊；

17、第二生成单元，用于对各无人机对应的安全走廊进行二次优化及拟合，以生成各无人机对应的平滑轨迹。

18、第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述方法。

19、第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述第一方面所述方法。

20、本发明实施例提供了一种无人机集群的并行轨迹规划方法、装置、设备及介质，所述方法包括：根据等体积网格划分规则对所述目标空间环境数据进行等体积的网格划分，以构建得到三维网格图；将所述无人机集群中每一无人机的初始图案坐标和目标图案坐标标定在所述三维网格图中，得到标定三维网格图；将所述标定三维网格图输入至预设的离散规划器，得到与所述无人机集群中每一无人机分别对应的路径扩展数据以组成路径扩展数据集；对所述路径扩展数据集进行路径优化，得到优化后路径扩展数据集；对所述优化后路径扩展数据集中各时刻的无人机对象的空间坐标基于无人机集群的初始图案坐标集进行三角网分解得到邻接三角网，并对所述邻接三角网进行泰森分解得到基于泰森多面体的约束判据；将与所述无人机集群中每一无人机对应的预设圆柱面添加至所述约束判据以生成各无人机对应的安全走廊；对各无人机对应的安全走廊进行二次优化及拟合，以生成各无人机对应的平滑轨迹。本发明实施例可基于离散规划器，对离散规划器输出的路径扩展数据集进行连续规划，得到高质量的平滑轨迹，提高无人机集群轨迹规划方案通用性的同时，降低轨迹规划的设计成本。