无人机城市空间航线规划研究

无人机城市空间航线规划研究

通过对城市空间进行分层建立无人机城市空间模型，通过对无人机城市模型的研究，针对城市具体布局进行无人机城市空间航线规划，按照不同的高度建立无人机飞行通道，根据城市具体布局规划无人机航线，为无人机在城市空间的大规模应用提供理论依据和技术支撑。

标签：航线规划；城市空间；无人机应用

近年来，随着无人机技术的发展，无人机的应用范围不断拓展，警用安防、消防救灾、城管执法、环境检测、新闻报道、物流运输、农林植保等领域均有无人机的参与。与此同时，无人机在城市中的应用也逐渐受到重视，随着无人机在城市空间的活动日益频繁，对无人机在城市空间航线规划进行研究就显得比较迫切。

无人机的航线规划是指在有限时间内生成到达目标的有效航线，其中，规划出的航线必须满足可行性、安全性、低代价性、低碰撞性、可飞性等特点。针对无人机航迹规划，国内外已经有大量研究，传统经典算法中有动态规划法、导数相关法、和最优控制法，而随着人工智能的发展，大量的智能算法被应用于航迹规划并取得了显著效果，例如Dijkstra’s[1] 算法、A*搜索算法[2]、遗传算法、群体算法等[3，4]。

这些研究都着重于算法本身，并未针对城市空间无人机飞行的特点进行深入分析。相比较于空中航线，无人机在城市空间的航线应与城市自身的规划和布局相结合。当无人机介入城市空间当中，就相当于将平面化的城市空间领域纵向的拉伸了，空间分布会发生一系列的变化，空间将会分为数个不同的层面。此时将城市空间分层与城市模型组合成图（1）所示的无人机城市模型，就可以在保证城市空间安全的基础上实现无人机城市空间航线的合理规划。

针对城市布局特点建立无人机城市空间模型，基于城市建筑密度将城市空间分层，其分层依据以下规则：

1）按城市低空领域高度分成多层面。

2）根据无人机快慢速划分使用通道平面。

3）根据无人机大小规模划分使用通道平面。

4）空间内有可供无人机上下的节点。

当无人机大规模应用到城市中时，现代城市尚未完全利用的垂直空间就会得到充分的利用。如在垂直空间上规划无人机通道；利用低于24米建筑屋顶装置无人机停靠充电等设备；在建筑立面上与结构相结合，设计无人机停靠机位；每

隔一定距离安置无人机飞行监控设备等等。这些对垂直空间的利用，塑造了城市垂直空间的形态，成为了城市空间的一重要部分，弥补了现在城市垂直空间的空白，并且将影响着以后城市的发展。比如可以将城市空间依高度划分为24米以下，24米到100米，100米以上三个空间段，用做不同的无人机飞行通道，并设置通道换飞空间节点，实现无人机有序地进行空间高度的升降。

1、24米以下无人机通道

城市建筑分布广泛，无人机飞行通道

需要以地面通道为基准，在街道上空

（街道两侧的建筑之间）飞行。由于无人

机可以在垂直方向改变飞行状态，因此，

红绿灯不适用于无人机飞行通道。24米以

下无人机通道适合小型无人机飞行，为慢

速通道，建筑屋顶用作无人机停靠充电，

不占用现有的地面空间，地面街道的交叉

口正上方为无人机通道换飞空间节点。

2、在24米到100米之间无人机通

道城市建筑密度会大大下降，无人机飞

行更加自由，基本能实现直线直达目的

地。以地面街道的正上方通道为主要通

道，以低于24米建筑上方空间的通道

为次要通道。此通道适合中小型无人机

飞行，为中速通道，换飞的空间节点与

通道通道1相对应。

3、100米以上无人机通道

此通道受建筑影响较少，可以实现空间上的两点直线飞行。以地面正上方的通道为主通道，低于100米建筑的上方通道为次要通道。适合大中小型无人机飞行，为快速通道，换飞的空间节点与下面的相对应。

无人机城市的供应设施

通过在城市中分布无人机停靠充电以及维修设备，可以充分保证无人机从城市一个脚落点飞到任意测一个脚落点。如图6所示，在城市中根据城市整体形态均匀布置无人机停靠充电设备并与空中通道组成一个完整无人机服务系统，实现空中有序飞行，地上全面保障的无人机飞行服务系统.

通过对无人机城市模型的研究，可以根据城市具体布局规划无人机航线，解决以往无人机在城市上空黑飞、乱飞、随意飞行给城市带来的危害，为实现无人机在城市空间的安全可靠运行提供保障。为无人机在城市空间的大规模应用提供理论依据和技术支撑，在保证城市安全的基础上不断开发城市低空空域资源，利用无人机技术不断拓展和便利城市的发展。

参考文献

[1]罗婷婷.关于伪距差分和载波相位差分的精度比较研究[J].科技视界，2015（14）：303-303.

[2]王树磊，魏瑞轩，沈东.面向航路规划的Laguerre图构造算法[J].系统工程与电子技术，2013，35（3）：552–556.

[3]F.Kendoul，I.Fantoni，K.Nonami.Optic flow-based vision system for autonomous 3D localization and control of small aerial vehicles [J].Robotics and Autonomous Systems，2009，（57）6-7：591-602.

[4]宋凱楠.基于激光扫描测距的室内飞行定位与避障技术研究[D].南京航空航天大学，2016.