【无人机覆盖】基于分解和扫描线策略对多边形区域进行凹度感知覆盖路径规划附matlab代码

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🔥 内容介绍

在农业喷洒无人机的覆盖路径规划（CPP）问题中，首先设计了一种边界缩减算法，用于应对作业地形内诸如沟渠等特殊情况。针对凹多边形区域的特殊性，开发了一种基于拓扑映射的算法，以判断凹多边形区域的凹点，并对含有特殊凹点的路径进行规划。对于农药喷洒任务的评估，飞行距离和额外覆盖率是最为合适的优化目标。因此，本文选取这两个指标构建适应度函数，经迭代优化后得出任务的最优作业航向角。最终，实现了在最优航向角下农业喷洒无人机对任意多边形区域的覆盖路径规划。

仿真和飞行测试结果表明，该 CPP 方法能够显著缩短飞行距离、降低额外覆盖，进而避免能源消耗和农药浪费。此外，本文验证了该方法的工程实用性。此方法可在农业喷洒无人机领域推广并广泛应用，具有重大工程应用价值。

1. 边界缩减算法应对特殊地形

在农业作业区域中，沟渠和渠道等特殊地形会对无人机的覆盖路径规划造成影响。边界缩减算法通过对这些特殊区域周边的边界进行调整，缩小作业区域的有效边界范围，使得无人机在规划路径时能够自动避开这些特殊区域，避免因碰撞或不必要的飞行导致的风险和能源浪费。例如，当检测到沟渠的位置和范围后，算法会根据沟渠的形状和与作业区域边界的关系，适当向内收缩作业区域边界，为后续路径规划提供更合理的区域范围。

2. 基于拓扑映射的凹点判断与路径规划

2.1 凹点判断

凹多边形区域相较于凸多边形，其内角存在大于 180° 的情况，这给路径规划带来挑战。基于拓扑映射的算法通过对凹多边形区域进行拓扑分析，将多边形的顶点和边之间的关系进行映射处理。通过这种映射，可以清晰地识别出哪些顶点是凹点。具体来说，算法会计算多边形每个顶点处的内角，并结合顶点与相邻边的拓扑关系，判断内角是否大于 180°。如果大于，则该顶点被判定为凹点。

2.2 特殊凹点路径规划

对于识别出的凹点，需要特殊处理以确保无人机能够高效且全面地覆盖凹多边形区域。算法会根据凹点的位置和周围区域的几何特征，规划出一条能够有效覆盖凹点附近区域的路径。例如，在凹点处，无人机的飞行路径可能需要进行局部调整，以保证农药能够均匀喷洒到凹点周围的区域，避免出现喷洒盲区。

3. 以飞行距离和额外覆盖率构建适应度函数

3.1 飞行距离

飞行距离是衡量无人机作业效率的重要指标。较短的飞行距离意味着无人机能够在更短的时间内完成喷洒任务，减少能源消耗。在计算飞行距离时，考虑无人机在规划路径上从起点到终点以及各个航点之间的直线距离总和。例如，假设无人机按照规划路径依次经过点 A、B、C，则飞行距离为 AB+BC 的长度总和。

3.2 额外覆盖率

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

function [reducedPoints] = reducedArea(vertices,h)% REDUCEDAREA Computes an inward offset of a polygon by a distance h.%% The polygon is defined by vertices ordered clockwise. Each vertex is% displaced along the angle bisector of its adjacent edges so that the% resulting polygon is approximately parallel to the original edges.%% Input:% vertices : 2xN matrix containing the polygon vertices% h : offset distance%% Output:% reducedPoints : 2xN matrix containing the vertices of the reduced polygon​N = length(vertices);​C = zeros(2,N); % Direction of the vertex displacementtheta = zeros(1,N); % Interior angles at each vertex​verticesType = concavity(vertices); % Determine concave/convex verticesreducedPoints = zeros(2,N);​for i = 1 : N​previousIndex = circularIndex(i-1,N);nextIndex = circularIndex(i+1,N);​% Adjacent edge vectorspreviousVector = vertices(:,previousIndex) - vertices(:,i);nextVector = vertices(:,nextIndex) - vertices(:,i);​% Unit vectors along both edgesd1 = previousVector/norm(previousVector);d2 = nextVector/norm(nextVector);​% Angle bisector directionC(:,i) = d1 + d2;​% Interior angle at the vertextheta(i) = acos(dot(d1,d2)/(norm(d1)*norm(d2)));​% Vertex displacement along the bisectorreducedPoints(:,i) = vertices(:,i) ...- verticesType(1,i) * h/sin(theta(i)/2) * (C(:,i)/norm(C(:,i)));​endend​​

🔗 参考文献

"Coverage Path Planning Method for Agricultural Spraying UAV in Arbitrary Polygon Area"Li, J., Sheng, H., Zhang, J., & Zhang, H. (2023)

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