地球信息科学学报 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (4): 570-579.doi: 10.12082/dqxxkx.2019.180392
徐晨晨1,2,3,4(), 廖小罕1,3,4, 岳焕印1,3,4,*(
), 鹿明1,3,4, 陈西旺1,3,4
收稿日期:
2018-08-20
修回日期:
2019-03-04
出版日期:
2019-04-24
发布日期:
2019-04-24
通讯作者:
岳焕印
E-mail:xucc.14s@igsnrr.ac.cn;yuehy@lreis.ac.cn
作者简介:
作者简介:徐晨晨(1991-),女,安徽安庆人,博士生,从事无人机航路规划、无人机遥感等研究。E-mail:
基金资助:
Chenchen XU1,2,3,4(), Xiaohan LIAO1,3,4, Huanyin YUE1,3,4,*(
), Ming LU1,3,4, Xiwang CHEN1,3,4
Received:
2018-08-20
Revised:
2019-03-04
Online:
2019-04-24
Published:
2019-04-24
Contact:
Huanyin YUE
E-mail:xucc.14s@igsnrr.ac.cn;yuehy@lreis.ac.cn
Supported by:
摘要:
日益增加的无人机数量和飞手自由规划航线给航空安全带来极大隐患。构建一个安全、高效的航空飞行环境,可以为无人机活动设立隔离空域,并在隔离空域内规划无人机低空公共航路,以提高低空空域利用率,为无人机交通管理提供决策依据。本研究充分考虑无人机近地表飞行及其即时通讯等特点,以天津市为例,基于地理信息技术构建以多源地理空间数据为基础的无人机低空飞行环境,包括低空蜂窝网络环境、大气环境和政策空域环境等,并改进传统蚁群算法以搜索无人机最优路径,得到该区无人机低空公共航路网。研究结果表明,改进的蚁群算法大大提高了路径搜索效率,满足无人机航路规划的高时效性、动态更新等要求;并且天津市航路长度符合市场上现有的无人机最远航程要求,基本满足现有的无人机运输要求。本研究描述的无人机低空公共航路研究的核心算法和关键技术,可以为无人机管控系统提供核心技术支撑。
徐晨晨, 廖小罕, 岳焕印, 鹿明, 陈西旺. 基于改进蚁群算法的无人机低空公共航路构建方法[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 570-579.DOI:10.12082/dqxxkx.2019.180392
Chenchen XU, Xiaohan LIAO, Huanyin YUE, Ming LU, Xiwang CHEN. Construction of a UAV Low-altitude Public Air Route based on an Improved Ant Colony Algorithm[J]. Journal of Geo-information Science, 2019, 21(4): 570-579.DOI:10.12082/dqxxkx.2019.180392
表2
蚁群算法改进前后性能对比"
支线航路 | 算法类型 | 格网搜索空间 大小/格网数量 | 达到最优时迭代次数 | 搜索步长 | 搜索时长/s | 路径网格成本代价 | 最短路径长度/步长 | 路径长度/步长 | 迂回次数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
宁河县-塘沽区 | 改进后 | 14×51 | 8/200 | 2 | 130 | 0 | 54 | 64 | 1 |
改进前 | 14×51 | 120/200 | 1 | 205 | 0 | 54 | 75 | 5 | |
武清区-西青区 | 改进后 | 26×60 | 10/200 | 2 | 332 | 3 | 93 | 93 | 0 |
改进前 | 26×60 | 75/200 | 1 | 452 | 0 | 81 | 105 | 10 | |
宁河县-津南区 | 改进后 | 38×49 | 10/200 | 2 | 667 | 0 | 76 | 82 | 5 |
改进前 | 38×49 | 80/200 | 1 | 795 | 0 | 76 | 89 | 9 |
表3
天津市各无人机低空公共路航段长度"
序号 | 航段起点 | 起点经纬度 | 航段终点 | 终点经纬度 | 航段实际长度/km | 直线距离/km |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 蓟县 | (117°26' E,40°01' N) | 宝坻区 | (117°25' E,39°36' N) | 56.58 | 45.54 |
2 | 蓟县 | (117°26' E,40°01' N) | 武清区 | (116°58' E,39°34' N) | 97.08 | 63.80 |
3 | 蓟县 | (117°26' E,40°01' N) | 宁河县 | (117°39' E,39°23' N) | 114.16 | 72.42 |
4 | 武清区 | (116°58' E,39°34' N) | 宝坻区 | (117°25' E,39°36' N) | 59.97 | 38.85 |
5 | 武清区 | (116°58' E,39°34' N) | 北辰区 | (117°10' E,39°16' N) | 64.68 | 38.28 |
6 | 武清区 | (116°58' E,39°34' N) | 西青区 | (117°07' E,39°02' N) | 91.67 | 60.66 |
7 | 宝坻区 | (117°25' E,39°36' N) | 宁河县 | (117°39' E,39°23' N) | 52.81 | 31.97 |
8 | 宝坻区 | (117°25' E,39°36' N) | 北辰区 | (117°10' E,39°16' N) | 67.84 | 43.02 |
9 | 宝坻区 | (117°25' E,39°36' N) | 塘沽区 | (117°37' E,38°56' N) | 102.01 | 75.45 |
10 | 宁河县 | (117°39' E,39°23' N) | 北辰区 | (117°10' E,39°16' N) | 72.61 | 43.47 |
11 | 宁河县 | (117°39' E,39°23' N) | 汉沽区 | (117°51' E,39°15' N) | 41.42 | 22.48 |
12 | 宁河县 | (117°39' E,39°23' N) | 塘沽区 | (117°37' E,38°56' N) | 63.52 | 48.90 |
13 | 宁河县 | (117°39' E,39°23' N) | 津南区 | (117°23' E,38°58' N) | 78.16 | 52.12 |
14 | 北辰区 | (117°10' E,39°16' N) | 西青区 | (117°07' E,39°02' N) | 42.05 | 26.05 |
15 | 西青区 | (117°07' E,39°02' N) | 静海县 | (116°58' E,38°52' N) | 31.30 | 22.91 |
16 | 西青区 | (117°07' E,39°02' N) | 津南区 | (117°23' E,38°58' N) | 32.80 | 24.64 |
17 | 汉沽区 | (117°51' E,39°15' N) | 塘沽区 | (117°37' E,38°56' N) | 60.39 | 39.74 |
18 | 津南区 | (117°23' E,38°58' N) | 大港区 | (117°25' E,38°48' N) | 26.91 | 17.94 |
19 | 静海县 | (116°58' E,38°52' N) | 大港区 | (117°25' E,38°48' N) | 45.00 | 39.63 |
20 | 塘沽区 | (117°37' E,38°56' N) | 大港区 | (117°25' E,38°48' N) | 36.51 | 23.94 |
合计 | 1237.48 |
[1] | 廖小罕,周成虎,苏奋振,等.无人机遥感众创时代[J].地球信息科学学报,2016,18(11):1439-1447. |
[Liao X H, Zhou C H, Su F Z.et al.The mass innovation era of UAV remote sensing[J]. Journal of Geo-information Science, 2016,18(11):1439-1447. ] | |
[2] | 王万国,田兵,刘越,等.基于RCNN的无人机巡检图像电力小部件识别研究[J].地球信息科学学报,2017,19(2):256-263. |
[Wang W G, Tian B, Liu Y, et al.Study on the electrical devices detection in UAV images based on region based convolutional neural networks[J]. Journal of Geo-information Science, 2017,19(2):256-263. ] | |
[3] | 国统计局.中华人民共和国2017年国民经济和社会发展统计公报. 2018-02-28. [EB/OL] . |
[National Bureau of Statistics. Statistical communique of the People's Republic of China on 2017 national economic and social development [EB/OL]. ] | |
[4] | 中华人民共和国工业和信息化部.工业和信息化部关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见.2017. [EB/OL]. 2017-12-22. |
[Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China.Guiding opinions of the Ministry of Industry and Information Technology on promoting and regulating the development of civil UAV manufacturing[EB/OL]. ] | |
[5] | 中国民用航空局. 2017年中国民用无人机驾驶航空器运行管理年报[R].北京:2018-03-22. |
[Civil Aviation Administration of China (CAAC). Unmanned aircraft operation management of CAAC annual report 2017[R]. Beijing: 2018-03-22. ] | |
[6] | Unicefstories. Africa's first humanitarian drone testing corridor launched in Malawi by government and UNICEF.2017[EB/OL]. . |
[7] | Handler C H. New York state creates nation's first air corridor for Unmanned Aerial Vehicles.2018.[EB/OL]. |
[8] | Zazulia N. Airbus testing unmanned package delivery in Singapore.2018[EB/OL]. . |
[9] |
冯登超,袁晓辉.低空安全走廊及应急管理可视化研究进展[J].电子测量与仪器学报,2016,30(4):493-505.
doi: 10.13382/j.jemi.2016.04.001 |
[Deng D C, Yuan X H.Advancement of safety corridor and emergency management visualization in low altitude airspace[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2016,30(4):493-505. ]
doi: 10.13382/j.jemi.2016.04.001 |
|
[10] | Yuan X H, Feng D C, Zuo Z J.Automatic construction of aerial corridor from discrete LiDAR point cloud[M]//Hassanien A E, Elhoseny M, Kacprzyk [J]. Quantum computing: An environment for intelligent large scale real application. Springer, Cham, 2018:449-465. |
[11] | 白龙,路紫,杜欣儒,等.城市区域(超)低空空域无人机活动通道划设规则与方法[J].地球科学进展,2016,31(11):1197-1204. |
[Bai L, Lu Z, Du X R.Rules and methods of UAV activities' aerial lanes design for (ultra) low airspace in regional areas[J]. Advances in Earth Science, 2016,31(11):1197-1204. ] | |
[12] | 廖小罕,徐晨晨,岳焕印.基于地理信息的无人机低空公共航路[J].无人机,2018(2):45-49. |
[Liao X H, Xu C C, Yue H Y.Research on UAV low-altitude public air route planning based on geographic information[J]. Unmanned Vehicles, 2018(2):45-49. ] | |
[13] | 中国科学院地理科学与资源研究所. “中科天网”无人机综合管理云系统正式获得中国民用航空局批准运行.2019-04-17[EB/OL]. |
[Institute of Geographic Science and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science.The Integrated Management Cloud System for UAVs (named “Zhongke Skynet”) was officially empowered for trial operation by the Civil Aviation Administration of China (CAAC). 2019-04-17 [EB/OL]..] | |
[14] | Zammit C, Van Kampen E J. "Comparison between A* and RRT Algorithms for UAV Path Planning"[C].2018AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, AIAA SciTech Forum, Kissimmee, Florida, USA, 1846. |
[15] | Silva Arantes J, Silva Arantes M, Motta Toledo C F, et al. Heuristic and genetic algorithm approaches for UAV path planning under critical situation[J].International Journal on Artificial Intelligence Tools, 2017,26(01):1-30. |
[16] | Chen Y, Luo G, Mei Y, et al.UAV path planning using artificial potential field method updated by optimal control theory[J]. International [J].urnal of Systems Science, 2016,47(6):1407-1420. |
[17] | Dorigo M.Optimization, learning and natural algorithms[D]. Italian: Politecnico di Milano, 1992. |
[18] | Dorigo M, Maniezzo V, Colorni A.Ant system: An autocatalytic optimizing process[R]. Dipartimento di Elettronica e Informazion. Milano, Italy.Technical Report, 1991. |
[19] | 林娜,刘二超.基于改进蚁群算法的无人机动态航路规划[J].计算机测量与控制,2016,24(3):149-153. |
[Lin N, Liu E C.UAV route planning in dynamic environment based on modified ant colony optimization[J]. Computer Measurement & Control, 2016,24(3):149-153. ] | |
[20] | Talbi E G, Roux O, Fonlupt C.Parallel ant colonies for the quadratic assignment problem[J]. Future Generation Computer Systems, 2001,17(4):441-449. |
[21] | Stützle T, Hoosb H H.MAX-MIN ant system[J]. Future Genetic Computer System, 2000,8(16):889-914. |
[22] |
曲小康,芮小平,韩莹,等.栅格成本距离计算的改进蚁群方法[J].地球信息科学学报,2016,18(8):1052-1059.
doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01052 |
[Qu X K, Rui X P, Han Y, et al.A method of computing raster cost distance based on the improved ant colony algorithm[J]. Journal of Geo-information Science, 2016,18(8):1052-1059. ]
doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01052 |
|
[23] | AlShawi I S, Yan L, Pan W, et al. Lifetime enhancement in wireless sensor networks using fuzzy approach and A-star algorithm[C]. IET conference on wireless sensor systemsLondon,UK, 2012. |
[24] | 赵峰,杨春曦,陈飞,等.自适应搜索半径蚁群动态路径规划算法[J].计算机工程与应用,2018,54(19):56-87. |
[Zhao F, Yang C X, Chen F, et al.Self-adjust searching radius dynamic planning algorithm based on ant colony algorithm[J]. Computer Engineering and Applications, 2018,54(19):56-87. ] | |
[25] | 国家气象中心.中国地面累年值月值数据集(1981-2010年).[EB/OL].. |
[National Meteorological Information Center. Dataset of monthly surface observation values in individual years (1981-2010) in China. ] | |
[26] | 中国民用航空局.低空联网无人机安全飞行测试报告. 2018-02-06[EB/OL] |
[Civil Aviation Administration of China (CAAC). Safety flight test report of low-altitude networked UAVs. 2018-02-06[EB/OL].] | |
[27] | 资源环境数据云平台.中国人口空间分布公里网格数据集.[EB/OL].. DOI:10.12078/2017121101. |
[Resources and Environment Data Cloud Platform, Gridded dataset of Chinese population spatial distribution at 1kilometer resolution. [EB/OL].DOI:10.12078/2017121101] | |
[28] | 中国民用航空局.关于公布民用机场障碍物限制面范围的公告.2017-05-17[EB/OL]. |
[Civil Aviation Administration of ChinaAnnouncement on the restricted area of obstacles in civil airports. 2017-05-17[EB/OL]. ] | |
[29] | 中华人民共和国科学技术部国家遥感中心.无人机遥感系统信息库[EB/OL]. 2019. . |
[National Remote Sensing Center of China. Information base of uav remote sensing system[EB/OL].2019.] | |
[30] |
王文杰. 5G技术的发展与运用[J].现代工业经济和信息化,2018(5):82-83.
doi: 10.16525/j.cnki.14-1362/n.2018.05.34 |
[Wang W J.Discussion on the development and application of 5G technology[J]. Modern Industrial Economy and Informationization, 2018(5):82-83. ]
doi: 10.16525/j.cnki.14-1362/n.2018.05.34 |
[1] | 陈昂, 杨秀春, 徐斌, 金云翔, 张文博, 郭剑, 邢晓语, 杨东. 基于面向对象与深度学习的榆树疏林识别方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(9): 1897-1909. |
[2] | 王学文, 赵庆展, 韩峰, 马永建, 龙翔, 江萍. 机载多光谱影像语义分割模型在农田防护林提取中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(8): 1702-1713. |
[3] | 蔡顺, 耿豪鹏, 郑炜珊, 潘保田. 基于傅里叶变换的谷间距特征信息提取及其影响因素研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 399-409. |
[4] | 张志慧, 刘雯, 李笑含, 朱靖轩, 张洪涛, 杨东, 徐超昊, 徐宪立. 基于无人机航摄影像的喀斯特地区裸岩信息提取及景观格局分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(12): 2436-2444. |
[5] | 许佳峰, 李云梅, 徐杰, 雷少华, 毕顺, 周玲. 黑臭水体水面阴影提取的自适应阈值算法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(10): 1959-1970. |
[6] | 耿仁方,付波霖,蔡江涛,陈晓雨,蓝斐芜,余杭洺,李青逊. 基于无人机影像和面向对象随机森林算法的岩溶湿地植被识别方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(8): 1295-1306. |
[7] | 鹿明, 廖小罕, 岳焕印, 黄诗峰, 徐晨晨, 卢海英, 柏艺琴. 面向中国洪涝灾害应急监测的无人机空港布局[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(6): 854-864. |
[8] | 吴方明, 张淼, 吴炳方. 无人机影像的面向对象水稻种植面积快速提取[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(5): 789-798. |
[9] | 王森援, 蔡国榕, 王宗跃, 吴云东. 基于加权约束的单体建筑物点云表面重建算法[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(5): 654-662. |
[10] | 晏磊, 廖小罕, 周成虎, 樊邦奎, 龚健雅, 崔鹏, 郑玉权, 谭翔. 中国无人机遥感技术突破与产业发展综述[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 476-495. |
[11] | 杨梦琳, 李道春, 万志强, 严德, 王耀坤. 中国面向遥感应用的垂直起降无人机现状和 应用前景分析[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 496-503. |
[12] | 黄耀欢, 李中华, 朱海涛. 作物胁迫无人机遥感监测研究评述[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 512-523. |
[13] | 龙诗科, 孙山林, 赵海盟. 基于滑模和ESO的四旋翼飞行器遥感机动观测姿态控制[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 532-541. |
[14] | 王勇军, 李智, 孙山林, 马兴元, 晏磊. 轻小型无人机遥感组网飞行的高程安全监测冗余 容错算法研究[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 542-551. |
[15] | SanaUllah, 晏磊, 冯朝晖, 赵海盟, 孙逸渊, 赵红颖. 无人机组网遥感实时任务观测的冗余容错控制方案[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(4): 552-559. |
|