无人机城市三维航迹规划可视化平台设计与实现
电子技术应用
刘刚1，王瑾2，周家柳2，章磊3，王珺珺2，4，罗喜伶2，4
1.浙江省交通运输科学研究院；2.北京航空航天大学 杭州创新研究院； 3.杭州迅蚁网络科技有限公司；4.北京航空航天大学
摘要： 随着无人机在城市场景下的广泛应用，针对传统路径规划算法在多个约束条件下进行无人机三维路径规划时无法兼顾多种风险、容易陷入局部最优等问题，基于真实城市建筑物数据，考虑地理围栏限制、人流密集程度和社会属性等因素，构建城市场景无人机运行环境并建立真实三维环境模型，设计了基于城市场景的无人机三维航迹规划可视化平台。该平台构建了真实环境下城市空域网格，并对网格飞行适宜度进行了量化分析，并基于该数值，采用了改进的Lazy Theta*算法对无人机航迹进行规划。通过可视化平台的实际运行，提供航迹规划的三维展示，更好地实现人机交互，是一种无人机路径规划三维可视化仿真验证的手段。
中图分类号：U1 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234419
中文引用格式： 刘刚，王瑾，周家柳，等. 无人机城市三维航迹规划可视化平台设计与实现[J]. 电子技术应用，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： 刘刚，王瑾，周家柳，等. 无人机城市三维航迹规划可视化平台设计与实现[J]. 电子技术应用，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
近年来，无人机已经成为了现代社会中非常重要的技术和工具，在勘测、侦察、监视、救援和投递等各个领域广泛应用[1-5]。其中，基于城市场景的无人机三维航迹规划是无人机应用的重要方向之一。该方向的研究可以更好地了解城市环境，并为城市管理、安全防范、物流配送等提供支持。
一般而言，无人机的三维飞行航迹规划是一个带有多个约束条件的复杂多目标优化问题[6]。基于城市场景的无人机航迹规划面临着许多挑战。例如，城市中复杂的地形和建筑物会对无人机的飞行轨迹造成干扰，从而影响任务执行的效果。此外，无人机的能源限制、通信延迟等问题也会对航迹规划产生影响。因此，在复杂城市场景下，如何设计一种高效可靠的无人机航迹规划系统成为当前研究的热点问题。
鉴于此，本文设计了基于城市场景的无人机三维航迹规划可视化平台，主要特点包括：(1)构建四维城市风险地图，针对城市空域飞行的适飞度进行量化评估；(2)结合多种约束条件，实现改进后的航迹规划算法;(3)建立真实的三维环境模型，实现无人机三维航迹规划的可视化。
最终平台能够实现无人机在复杂城市环境下三维航迹规划的可视化，实现无人机的高效、安全、精准的任务执行。这对于无人机航迹规划技术的研究以及无人机的应用领域扩展都有重要意义。
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作者信息：
刘刚1，王瑾2，周家柳2，章磊3，王珺珺2，4，罗喜伶2，4
（1.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 310005；2.北京航空航天大学 杭州创新研究院，浙江 杭州 310051；
3.杭州迅蚁网络科技有限公司，浙江 杭州 311121；4.北京航空航天大学，北京 100191）
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