無人機城市三維航跡規劃可視化平臺設計與實現
電子技術應用
劉剛1，王瑾2，周家柳2，章磊3，王珺珺2，4，羅喜伶2，4
1.浙江省交通運輸科學研究院；2.北京航空航天大學 杭州創新研究院； 3.杭州迅蟻網絡科技有限公司；4.北京航空航天大學
摘要： 隨著無人機在城市場景下的廣泛應用，針對傳統路徑規劃算法在多個約束條件下進行無人機三維路徑規劃時無法兼顧多種風險、容易陷入局部最優等問題，基于真實城市建筑物數據，考慮地理圍欄限制、人流密集程度和社會屬性等因素，構建城市場景無人機運行環境并建立真實三維環境模型，設計了基于城市場景的無人機三維航跡規劃可視化平臺。該平臺構建了真實環境下城市空域網格，并對網格飛行適宜度進行了量化分析，并基于該數值，采用了改進的Lazy Theta*算法對無人機航跡進行規劃。通過可視化平臺的實際運行，提供航跡規劃的三維展示，更好地實現人機交互，是一種無人機路徑規劃三維可視化仿真驗證的手段。
中圖分類號：U1 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234419
中文引用格式： 劉剛，王瑾，周家柳，等. 無人機城市三維航跡規劃可視化平臺設計與實現[J]. 電子技術應用，2024，50(9)：89-93.
英文引用格式： Liu Gang，Wang Jin，Zhou Jialiu，et al. Design and implementation of a 3D UAV trajectory planning visualization platform based on urban scenarios[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(9)：89-93.
中文引用格式： 劉剛，王瑾，周家柳，等. 無人機城市三維航跡規劃可視化平臺設計與實現[J]. 電子技術應用，2024，50(9)：89-93.
英文引用格式： Liu Gang，Wang Jin，Zhou Jialiu，et al. Design and implementation of a 3D UAV trajectory planning visualization platform based on urban scenarios[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(9)：89-93.
Design and implementation of a 3D UAV trajectory planning visualization platform based on urban scenarios
Liu Gang1，Wang Jin2，Zhou Jialiu2，Zhang Lei3，Wang Junjun2，4，Luo Xiling2，4
1.Zhejiang Scientific Research Institute of Transport； 2.Hangzhou Innovation Institute， Beihang University； 3.Hangzhou Antwork Technology Co.， Ltd.；4.Beihang University
Abstract： With the widespread application of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in urban scenarios, traditional trajectory planning algorithms face challenges in considering multiple constraints for UAVs’ 3D trajectory planning, such as handling various risks and avoiding local optima. In this study, based on real urban building data, considering Geofence, crowd density, and social attributes, a UAV operating environment in urban settings is constructed, and a real 3D environment model is established. Then a visualization platform for 3D UAV trajectory planning in urban environments is implemented. This platform builds a grid-based urban airspace model and quantitatively analyzes the flight suitability of grids. Based on these analyses, an improved Lazy Theta* algorithm is used for UAV trajectory planning. Through the visualization platform, the 3D display of trajectory planning is provided to better realize human-computer interaction, and it also serves for simulating and verifying 3D UAV trajectory planning in real urban environment.
Key words : urban scenes；Unmanned Aerial Vehicles （UAVs）；trajectory planning；3D visualization
引言
近年來，無人機已經成為了現代社會中非常重要的技術和工具，在勘測、偵察、監視、救援和投遞等各個領域廣泛應用[1-5]。其中，基于城市場景的無人機三維航跡規劃是無人機應用的重要方向之一。該方向的研究可以更好地了解城市環境，并為城市管理、安全防范、物流配送等提供支持。
一般而言，無人機的三維飛行航跡規劃是一個帶有多個約束條件的復雜多目標優化問題[6]。基于城市場景的無人機航跡規劃面臨著許多挑戰。例如，城市中復雜的地形和建筑物會對無人機的飛行軌跡造成干擾，從而影響任務執行的效果。此外，無人機的能源限制、通信延遲等問題也會對航跡規劃產生影響。因此，在復雜城市場景下，如何設計一種高效可靠的無人機航跡規劃系統成為當前研究的熱點問題。
鑒于此，本文設計了基于城市場景的無人機三維航跡規劃可視化平臺，主要特點包括：(1)構建四維城市風險地圖，針對城市空域飛行的適飛度進行量化評估；(2)結合多種約束條件，實現改進后的航跡規劃算法;(3)建立真實的三維環境模型，實現無人機三維航跡規劃的可視化。
最終平臺能夠實現無人機在復雜城市環境下三維航跡規劃的可視化，實現無人機的高效、安全、精準的任務執行。這對于無人機航跡規劃技術的研究以及無人機的應用領域擴展都有重要意義。
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作者信息：
劉剛1，王瑾2，周家柳2，章磊3，王珺珺2，4，羅喜伶2，4
（1.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 310005；2.北京航空航天大學 杭州創新研究院，浙江 杭州 310051；
3.杭州迅蟻網絡科技有限公司，浙江 杭州 311121；4.北京航空航天大學，北京 100191）
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