[go: up one dir, main page]

RU2843719C1 - Method of navigation in difficult places - Google Patents

Method of navigation in difficult places

Info

Publication number
RU2843719C1
RU2843719C1 RU2024140067A RU2024140067A RU2843719C1 RU 2843719 C1 RU2843719 C1 RU 2843719C1 RU 2024140067 A RU2024140067 A RU 2024140067A RU 2024140067 A RU2024140067 A RU 2024140067A RU 2843719 C1 RU2843719 C1 RU 2843719C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
map
coordinate system
epsg
navigation
quadcopter
Prior art date
Application number
RU2024140067A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Мудийанселаге Гисара Пратхап Кулатхунга Кулатхунга
Дмитрий Владимирович Девитт
Евгений Сергеевич Муравьев
Original Assignee
Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" filed Critical Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Application granted granted Critical
Publication of RU2843719C1 publication Critical patent/RU2843719C1/en

Links

Abstract

FIELD: navigation.
SUBSTANCE: invention relates to a method of navigation in difficult places. Method comprises collecting data using a quadcopter on which an RTK-GPS, a camera and a LiDAR sensor are installed. Quadcopter is moved over the target terrain, during the flight recording the current coordinates in EPSG 4326 coordinate system and simultaneously capturing synchronized images and point clouds along the movement path, using the LOAM (LiDAR Odometry and Mapping) algorithm to create the initial input map in EPSG 4326 coordinate system, which serves as the basis for further analysis and refinement using QGIS tools, complex geographic objects extraction from the points cloud data with the off-road routes identification, creating the intermediate map taking into account of all geographic objects in GeoTIFF format or in the pixel coordinate system, designating the initial location in EPSG 4326 block, geo-referencing data is received in GeoTIFF format. Global path planner uses the constructed intermediate map and user-defined regions to create real-time paths that meet kinematic constraints, after that, any off-road local scheduler for vehicle manoeuvring is integrated.
EFFECT: high real-time performance of the global scheduler, achieving kinematic feasibility and efficiency of using memory.
2 cl, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к способам навигации, а именно к способам навигации в труднодоступных местах.The invention relates to navigation methods, namely to navigation methods in hard-to-reach places.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART

Для решения проблем навигации в труднопроходимых местах обычно используются иерархические методы планирования маршрутов, сочетающие глобальные и местные подходы, стали предпочтительными. Однако каждая стадия планирования маршрута связана со своими специфическими вызовами. Местное планирование маршрута в условиях бездорожья должно справляться с препятствиями, такими как изменение высот местности (например, ямы, колеи и камни), внезапные изменения окружающей среды (например, дождь) и необходимость оперативного перепланирования. С другой стороны, глобальное планирование маршрута сталкивается с трудностями обработки крупных топографических карт, точного учета географических объектов, планирования на длительные периоды и избежания локальных минимумов. В то время как местное планирование маршрута фокусируется на обеспечении плавных манёвров транспортного средства и предотвращении резких движений, глобальное планирование занимается созданием долгосрочных маршрутов, которые помогают местному планировщику достигать поставленных целей. В последнее время были предложены различные подходы к глобальному планированию маршрута для навигации вне дорог. Одним из них является улучшенная версия алгоритма A*, предназначенного для планирования длинных маршрутов вне дорог, однако она не учитывает кинематические ограничения транспортных средств. Другим подходом является интеграция максимальной достижимой скорости автомобиля и вертикального ускорения в структуру планирования маршрута на базе RRT*, что повышает безопасность. Однако RRT* сталкивается с проблемами масштабируемости и использования памяти при применении к крупным картам. Для решения этих вопросов разработали ER-RRT*, улучшенную версию RRT*, но ее вероятностная природа препятствует работе в реальном времени. To solve off-road navigation problems, hierarchical route planning methods are commonly used, combining global and local approaches, and have become the preferred method. However, each stage of route planning has its own specific challenges. Local route planning in off-road environments must cope with obstacles such as changing terrain elevations (e.g., potholes, ruts, and rocks), sudden environmental changes (e.g., rain), and the need for rapid replanning. On the other hand, global route planning faces the challenges of handling large topographic maps, accurately accounting for geographic features, planning over long periods, and avoiding local minima. While local route planning focuses on ensuring smooth vehicle maneuvers and avoiding abrupt movements, global route planning is concerned with creating long-term routes that help the local planner achieve his or her goals. Recently, various approaches to global route planning for off-road navigation have been proposed. One is an improved version of the A* algorithm designed for long off-road route planning, but it does not take into account the kinematic limitations of vehicles. Another approach is to integrate the maximum achievable vehicle speed and vertical acceleration into the RRT*-based route planning framework, which improves safety. However, RRT* faces scalability and memory usage issues when applied to large maps. To address these issues, ER-RRT*, an improved version of RRT*, was developed, but its probabilistic nature prevents it from working in real time.

Из патентных аналогов предложенного решения известны способ и устройство планирования пути AGV (см. CN 117555336 A, опубл. 13.02.2024), используемые в процессе логистического хранения. Метод включает в себя следующие этапы: построение карты сетки складской среды, в которой работает AGV; на основе карты сетки использование алгоритма A* для завершения начального глобального пути AGV; обработка начального глобального пути с использованием улучшенного алгоритма A* и метода сглаживания для получения начального глобального оптимального пути AGV; и оценка того, нужно ли AGV избегать препятствий или нет, на основе начального глобального оптимального пути с помощью метода искусственного потенциального поля, если да, то выполнение задачи по избеганию препятствий AGV и циклическое выполнение задачи по избеганию препятствий до тех пор, пока AGV не достигнет целевого положения. Among the patent analogues of the proposed solution, a method and device for planning the path of an AGV are known (see CN 117555336 A, published 13.02.2024), used in the process of logistic storage. The method includes the following steps: constructing a grid map of the warehouse environment in which the AGV operates; based on the grid map, using the A* algorithm to complete the initial global path of the AGV; processing the initial global path using an improved A* algorithm and a smoothing method to obtain the initial global optimal path of the AGV; and assessing whether the AGV needs to avoid obstacles or not, based on the initial global optimal path using the artificial potential field method, if so, then performing the obstacle avoidance task of the AGV and cyclically performing the obstacle avoidance task until the AGV reaches the target position.

Также известны способ и устройство планирования маршрута беспилотного транспортного средства (см. CN 110333714 A, опубл. 15.10.2019) Метод планирования пути беспилотного транспортного средства включает в себя следующие шаги: S1, определение местоположения текущего транспортного средства: получение местоположения текущего беспилотного транспортного средства в качестве отправной точки в соответствии с дифференциальной системой GPS/INS, затем выбор целевой точки, загрузка данных глобальной карты и считывание информации о состоянии транспортного средства; S2, планирование глобального пути: создание глобальной растровой карты в соответствии с координатной информацией начальной и целевой точек, использование модифицированного алгоритма искусственного потенциального поля-колонии для планирования глобального пути и создание желаемого пути; S3, вождение и анализ текущего состояния дороги транспортным средством, а также анализ и оценка того, необходимо ли локальное планирование пути или нет в соответствии с полученной информацией датчика; S4, выбор стратегии локального планирования пути; и S5, отправка сгенерированной информации о пути на уровень управления транспортным средством.Also known are a method and device for planning a route of an unmanned vehicle (see CN 110333714 A, published 15.10.2019) The method for planning a path of an unmanned vehicle includes the following steps: S1, determining the location of the current vehicle: obtaining the location of the current unmanned vehicle as a starting point according to the differential GPS/INS system, then selecting a target point, loading global map data and reading the vehicle state information; S2, planning a global path: creating a global raster map according to the coordinate information of the starting and target points, using a modified artificial potential field-colony algorithm for planning a global path and creating a desired path; S3, driving and analyzing the current road condition of the vehicle, and analyzing and judging whether local path planning is necessary or not according to the received sensor information; S4, selecting a local path planning strategy; and S5, sending the generated path information to the vehicle control layer.

Большинство существующих систем навигации по бездорожью зависят от данных OSM (OpenStreetMap) или DEM (Цифровой модели рельефа). Эти наборы данных часто имеют недостаточное покрытие в удаленных или неизученных районах.Most existing off-road navigation systems rely on OSM (OpenStreetMap) or DEM (Digital Elevation Model) data. These datasets often have poor coverage in remote or unexplored areas.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Данное изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной с преодолением ограничений, которые есть в существующих способах-аналогах путем разработки глобального планировщика, который придает первостепенное значение трем ключевым аспектам: производительности в реальном времени, кинематической реализуемости и эффективности использования памяти. При решении задач навигации вне дорог основным источником получения необходимой информации о географических объектах для понимания и создания маршрутов являются OpenStreetMap (OSM) и Цифровые Модели Рельефа (DEM). Однако в некоторых ситуациях (например, при пересечении неизведанных территорий или после природных катастроф) эти данные могут оказаться недоступными или устаревшими.The present invention is aimed at solving the technical problem of overcoming the limitations of existing similar methods by developing a global planner that prioritizes three key aspects: real-time performance, kinematic feasibility, and memory efficiency. When solving off-road navigation problems, the main source of obtaining the necessary information about geographic features for understanding and creating routes is OpenStreetMap (OSM) and Digital Elevation Models (DEM). However, in some situations (e.g., when crossing uncharted territories or after natural disasters), this data may be unavailable or outdated.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности в реальном времени, достижение кинематической реализуемости и эффективности использования памяти.The technical result of the invention is an increase in real-time performance, achievement of kinematic feasibility and efficiency of memory use.

Достижение заявленного технического результата возможно посредством создания способа навигации в труднопроходимых местах, включающего сбор данных квадрокоптера, данные о местности собирают посредством квадрокоптера, на который устанавливают RTK-GPS, камеру и датчик Livox Avia LiDAR, квадрокоптер перемещают над целевым участком местности, во время полета записывают текущие координаты в системе координат EPSG 4326 и одновременно захватывают синхронизированные изображения и облака точек вдоль траектории движения, используют алгоритм LOAM (LiDAR Odometry and Mapping) для создания начальной входной карты в системе координат EPSG 4326, которая служит основой для дальнейшего анализа и уточнения с использованием инструментов QGIS, извлечение сложных географических объектов из данных облака точек с идентификацией маршрутов по бездорожью, обеспечивая полное понимание рельефа местности, создают промежуточную карту с учетом всех географических объектов, которая является задачей предобработки и хранит информацию о том, проходимо ли данное местоположение или нет, промежуточную карту выполняют в формате GeoTIFF либо в системе координат пикселей, обозначают исходное местоположение в блоке EPSG 4326, чтобы получить исходное местоположение использовались функциональные возможности библиотеки GDAL, сначала принимают данные геопривязки в формате GeoTIFF, который является стандартизированным открытым форматом географической метаданной информации, позволяющим включать информацию о геопривязке в изображения формата TIFF, глобальный планировщик пути использует построенную промежуточную карту и определенные пользователем области для создания путей в реальном времени, которые соответствуют кинематическим ограничениям, после этого интегрируют любой внедорожный локальный планировщик для маневрирования транспортного средства.The claimed technical result can be achieved by creating a method for navigation in difficult-to-reach places, including the collection of quadcopter data, the terrain data is collected using a quadcopter on which an RTK-GPS, a camera and a Livox Avia LiDAR sensor are installed, the quadcopter is moved over the target area of the terrain, during the flight, the current coordinates are recorded in the EPSG 4326 coordinate system and synchronized images and point clouds are simultaneously captured along the trajectory of movement, the LOAM (LiDAR Odometry and Mapping) algorithm is used to create an initial input map in the EPSG 4326 coordinate system, which serves as the basis for further analysis and refinement using QGIS tools, extracting complex geographic features from point cloud data with off-road route identification, providing a complete understanding of the terrain, creating an intermediate map taking into account all geographic features, which is a preprocessing task and stores information on whether the given location is passable or not, the intermediate map is made in GeoTIFF format or in a pixel coordinate system, designate the initial location in the EPSG 4326 block, to obtain the initial location, the functionality of the GDAL library was used, first, the georeferencing data is received in the GeoTIFF format, which is a standardized open format of geographic metadata information that allows georeferencing information to be included in TIFF images, the global path planner uses the constructed intermediate map and user-defined areas to create real-time paths that comply with kinematic constraints, then integrate any off-road local planner for maneuvering the vehicle.

В частном варианте выполнения промежуточная карта хранится как одномерный массив.In a particular implementation, the intermediate map is stored as a one-dimensional array.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:The essence of the invention is explained by drawings, in which:

Фиг.1 – Предлагаемая структура для навигации по бездорожью;Fig.1 – Proposed structure for off-road navigation;

Фиг.2 – Квадрокоптер;Fig.2 – Quadcopter;

Фиг.3 – Топографическая карта;Fig.3 – Topographic map;

Фиг.4 – Пример построения карты по предлагаемому алгоритму;Fig.4 – An example of constructing a map using the proposed algorithm;

Фиг.5 – Визуальное представление Алгоритма 1 для поиска поз, более близких к целевой позе на бездорожьеFig.5 – Visual representation of Algorithm 1 for finding poses closer to the target pose on off-road terrain

На фиг.2 позиции обозначают следующее:In Fig.2, the positions indicate the following:

1 – Камера 1 – Camera

2 – RTK-GPS2 – RTK-GPS

3 – Датчик Livox Avia LiDAR3 – Livox Avia LiDAR Sensor

4 – Модуль управления.4 – Control module.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.These drawings do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of options for implementing this technical solution, but represent only illustrative material of a particular case of its implementation.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯEMBODIMENT OF THE INVENTION

В соответствии с примером осуществления изобретения, для способа навигации в труднопроходимых местах предлагается структура (фиг.1), которая решает проблему навигации в таких географических местностях. Для достижения указанных целей на квадрокоптер (версия T-Drones-M690B) установили RTK-GPS, камеру и датчик Livox Avia (фиг.2) и осуществили полет над целевой местностью. Во время пересечения области была записана текущая позиция в системе координат EPSG 4326 и сняты синхронизированные изображения и облака точек вдоль прохода. Был использован алгоритм одометрии и картирования LiDAR (LOAM) для построения начальной входной карты в EPSG 4326, как основа для дальнейшего анализа и уточнения с использованием инструментов QGIS. Было использовано программное обеспечение Global Mapper для извлечения сложных географических объектов из данных облака точек. Было включено определение внедорожных троп, водоемов и деревьев, обеспечивая полное понимание рельефа местности. Полученная топографическая карта изображена на фиг.3.According to an embodiment of the invention, a structure (Fig. 1) is proposed for a method of navigation in difficult-to-pass areas, which solves the problem of navigation in such geographic areas. To achieve the said objectives, an RTK-GPS, a camera and a Livox Avia sensor (Fig. 2) were installed on a quadcopter (T-Drones-M690B version) and the aircraft flew over the target area. During the traverse of the area, the current position was recorded in the EPSG 4326 coordinate system and synchronized images and point clouds were taken along the passage. The LiDAR odometry and mapping (LOAM) algorithm was used to build an initial input map in EPSG 4326, as a basis for further analysis and refinement using QGIS tools. Global Mapper software was used to extract complex geographic features from the point cloud data. The detection of off-road trails, water bodies and trees was included, providing a complete understanding of the terrain. The resulting topographic map is shown in Fig. 3.

Предлагаемая система навигации по бездорожью принимает несколько типов входных файлов. Во-первых, информация о географической привязке принимается как GeoTIFF, который является стандартизированным открытым исходным кодом географических метаданных, позволяющим интегрировать информацию о географической привязке в изображения TIFF (Tag Image File Format) (фиг.3). Географические метаданные включают преобразование между фактическим местоположением в пространстве и местоположением пикселя на изображении. Кроме того, она включает горизонтальные и вертикальные датумы, систему координатных отсчетов (CRS), эллипсоиды и геоиды, и информацию о проекции карты. Во-вторых, предлагаемая система навигации по бездорожью принимает географические объекты (фиг.3), такие как дороги, здания, реки, водоемы и ограниченные для пользователя (или закрытые зоны), как файлы GeoJSON. GeoJSON является открытым стандартным форматом обмена географическими объектами, который представляет географические объекты с использованием упрощенных геометрических формы, такие как полигоны, линии, точки и мультиполигоны в систему координатных отсчетов. В предлагаемой структуре система отсчета Всемирной геодезической системы 1984 (WGS 84) [WGS84] принимается в качестве желаемой системы координатных отсчетов.The proposed off-road navigation system accepts several types of input files. First, the georeferencing information is accepted as GeoTIFF, which is a standardized open source geographic metadata that allows georeferencing information to be integrated into TIFF (Tag Image File Format) images (Fig. 3). The geographic metadata includes the transformation between the actual location in space and the pixel location in the image. In addition, it includes horizontal and vertical datums, coordinate reference system (CRS), ellipsoids and geoids, and map projection information. Second, the proposed off-road navigation system accepts geographic features (Fig. 3), such as roads, buildings, rivers, water bodies, and user-restricted (or closed) areas, as GeoJSON files. GeoJSON is an open standard geographic feature interchange format that represents geographic features using simplified geometric shapes such as polygons, lines, points, and multipolygons in a coordinate reference system. In the proposed framework, the World Geodetic System 1984 (WGS 84) [WGS84] reference system is adopted as the desired coordinate reference system.

Промежуточная карта создается с учетом всех предоставленных географических объектов (фиг.3). Поэтому создание промежуточной карты является предпосылочной задачей, которая помогает получить производительность в реальном времени.The intermediate map is created taking into account all the provided geographic objects (Fig. 3). Therefore, the creation of the intermediate map is a prerequisite task that helps to achieve real-time performance.

Промежуточная карта хранит информацию о том, является ли данное место проходимым или нет. Поскольку информация о геопривязке принимается как GeoTIFF, создание промежуточной карты может быть выполнено либо в предоставленной CRS, либо в пиксельной системе координат. Предлагаемая система создает промежуточную карту в пиксельной системе координат по двум основным причинам. Во-первых, сохранение необходимой информации о карте в эффективной структуре данных облегчает планирование пути в реальном времени. Во-вторых, пиксельная система координат обеспечивает более высокую точность определения местоположения по сравнению с системой широты и долготы WGS84 (или EPSG 4326). Это связано с тем, что небольшое изменение широты или долготы может привести к значительному сдвигу в локальной системе координат (или универсальной поперечной проекции Меркатора (UTM)) если координаты не масштабированы соответствующим образом. Следующее преобразование используется для преобразования между двумя упомянутыми системами координат (WGS84 и пиксельные системы координат).The intermediate map stores information about whether the given location is passable or not. Since the georeferencing information is received as GeoTIFF, the intermediate map generation can be done either in the provided CRS or in the pixel coordinate system. The proposed system generates the intermediate map in the pixel coordinate system for two main reasons. First, storing the necessary map information in an efficient data structure facilitates real-time path planning. Second, the pixel coordinate system provides higher location accuracy compared to the WGS84 (or EPSG 4326) latitude and longitude system. This is because a small change in latitude or longitude can result in a significant shift in the local coordinate system (or Universal Transverse Mercator (UTM)) if the coordinates are not scaled appropriately. The following transformation is used to convert between the two mentioned coordinate systems (WGS84 and pixel coordinate systems).

где требуемые широта и долгота обозначены как lat и lon соответственно. Термины xorigin и yorigin обозначают местоположение начала координат в блоке EPSG 4326. Для получения местоположения начала координат использовались функции библиотеки GDAL. Область географической привязки в пиксельной системе координат, представленная переменными пиксельной шириной и пиксельной высотой, была сохранена как географические метаданные в GeoTIFF. Все географические объекты были преобразованы в пиксельную систему координат (фиг.3). Затем все географические объекты используются для оценки проходимой области, которая хранится в промежуточной карте. Чтобы уменьшить объем памяти, занимаемый промежуточной картой, что повышает скорость поиска пути, промежуточная карта хранится как одномерный массив размером ширина пикселя × высота пикселя вместо двумерного массива размером ширина пикселя и высота пикселя.where the desired latitude and longitude are denoted as lat and lon, respectively. The terms x origin and y origin denote the location of the origin in the EPSG 4326 block. GDAL library functions were used to obtain the location of the origin. The geographic reference area in the pixel coordinate system, represented by the variables pixel width and pixel height, was stored as geographic metadata in GeoTIFF. All geographic features were transformed into the pixel coordinate system (Fig. 3). Then, all geographic features are used to estimate the traversable area, which is stored in the intermediate map. To reduce the memory footprint of the intermediate map, which improves the speed of pathfinding, the intermediate map is stored as a one-dimensional array of pixel width × pixel height instead of a two-dimensional array of pixel width and pixel height.

Учитывая стартовую позицию (sd) и целевую позицию (td), довольно сложно получить оптимальную позицию ближе к внедорожным трассам. Рассмотрим пример, показанный на фиг.4. В этом примере ближайшая поза к внедорожным трассам не обеспечивает кратчайшего пути между позицией sd и позицией td.Given a starting position (s d ) and a target position (t d ), it is quite difficult to obtain an optimal position closer to the off-road tracks. Consider the example shown in Fig. 4. In this example, the closest pose to the off-road tracks does not provide the shortest path between position s d and position t d .

Предлагается подход (Algorithm1) для правильной оценки оптимальной ближайшей позы к местоположению цели (старт или цель).An approach (Algorithm1) is proposed to correctly estimate the optimal closest pose to the target location (start or target).

Согласно Algorithm1, когда указано местоположение цели, выбираются все точки внутри соответствующего многоугольника. Затем эти точки группируются в кластеры с использованием алгоритма DBSCAN (как показано на фиг.5), и определяется одна точка из каждого кластера, ближайшая к местоположению цели. Если несколько точек попадают в один и тот же кластер, вычисляется пересечение между многоугольником и внедорожными тропами, и пересеченные точки выбираются как ближайшие точки (фиг.5).According to Algorithm1, when a target location is specified, all points inside the corresponding polygon are selected. Then, these points are grouped into clusters using the DBSCAN algorithm (as shown in Fig. 5), and one point from each cluster is determined as the closest to the target location. If multiple points fall into the same cluster, the intersection between the polygon and the off-road trails is calculated, and the intersected points are selected as the closest points (Fig. 5).

Наконец, алгоритм Дейкстры используется для планирования пути между выбранными точками и вычисления расстояния между ними.Finally, Dijkstra's algorithm is used to plan a path between the selected points and calculate the distance between them.

Чтобы сократить вычислительные издержки и использование памяти, алгоритм Дейкстры использует карту с пониженной дискретизацией для генерации карты расстояний.To reduce computational overhead and memory usage, Dijkstra's algorithm uses a downsampled map to generate the distance map.

Изначально алгоритм A* или JSP применяется для нахождения промежуточных точек, чей построенный путь не является кинематически осуществимым, поскольку кинематика транспортного средства не была включена при планировании пути между so и to.Initially, the A* or JSP algorithm is applied to find intermediate points whose constructed path is not kinematically feasible because the vehicle kinematics were not included in the path planning between s o and t o .

Невозможно использовать подходы к динамическому планированию пути напрямую из-за высоких вычислительных затрат. Обычно разрешение карты составляет от 10 000 до 30 000 пикселей, что соответствует 1-6 километрам в форме широты-долготы. Следовательно, как только промежуточные точки определены, крайне важно определить, какие сегменты пути требуют перепланировки, чтобы обеспечить кинематическое осуществление всего пути. It is not possible to use dynamic path planning approaches directly due to the high computational costs. Typically, the map resolution is between 10,000 and 30,000 pixels, which corresponds to 1-6 kilometers in latitude-longitude form. Therefore, once the waypoints are determined, it is crucial to determine which path segments require replanning to ensure the kinematic implementation of the entire path.

Промежуточная карта может быть очень большой, поэтому для уменьшения вычислительных затрат на ее загрузку и обработку извлекается только требуемый срез карты для обработки. Если планирование пути не может быть выполнено в пределах извлеченной карты, параметры dy и dx увеличиваются на коэффициент для извлечения нового, большого среза карты для планирования пути каждой из нарезанных карт.The intermediate map can be very large, so to reduce the computational cost of loading and processing it, only the required map slice is extracted for processing. If path planning cannot be performed within the extracted map, the parameters d y and d x are increased by a factor to extract a new, larger map slice for path planning of each of the sliced maps.

Процесс поиска пути, который физически возможен для следования транспортного средства, называется планированием кинематического пути.The process of finding a path that is physically possible for a vehicle to follow is called kinematic path planning.

Планирование кинематического пути применяется с использованием алгоритма Hybrid A* к каждому идентифицированному сегменту пути, учитывая только соответствующую нарезанную карту. Кривизна пути улучшается после применения планирования пути на основе гибридного A*, поскольку выступы и углы удаляются вдоль определенных сегментов пути.Kinematic path planning is applied using the Hybrid A* algorithm to each identified path segment, considering only the corresponding sliced map. Path curvature is improved after applying Hybrid A*-based path planning, since protrusions and corners are removed along certain path segments.

Пути, созданные с использованием алгоритмов JPS, A* или Дейкстры, не являются асимптотически оптимальными. Поэтому при сглаживании запланированного пути учитываются несколько факторов. Во-первых, путь должен быть скорректирован для поддержания безопасного расстояния от близлежащих препятствий, будь то в узких или широких проходах. Во-вторых, в то время как сегменты планирования гибридного A* могут хорошо справляться с кривизной, другие сегменты пути могут испытывать резкие изменения кривизны, которые необходимо минимизировать или устранить во время сглаживания. В-третьих, JPS или A* могут создавать только несколько промежуточных точек вдоль пути, поэтому расстояние между последовательными точками должно быть минимизировано. Эти соображения в совокупности улучшают гладкость запланированного пути.Paths generated using JPS, A*, or Dijkstra's algorithms are not asymptotically optimal. Therefore, several factors are taken into account when smoothing the planned path. First, the path must be adjusted to maintain a safe distance from nearby obstacles, whether in narrow or wide passages. Second, while hybrid A* planning segments may cope well with curvature, other path segments may experience abrupt changes in curvature that must be minimized or eliminated during smoothing. Third, JPS or A* may only create a few intermediate points along the path, so the distance between successive points must be minimized. These considerations combine to improve the smoothness of the planned path.

Как проходимые, так и ограниченные области могут быть определены с помощью графического пользовательского интерфейса (GUI). Эти области могут быть выпуклыми или вогнутыми. Следовательно, алгоритм числа оборотов используется для поиска области, которая принадлежит указанной форме в пределах промежуточной карты и ее соответствующего обновления.Both passable and bounded areas can be defined using the graphical user interface (GUI). These areas can be convex or concave. Therefore, the number of turns algorithm is used to find the area that belongs to the specified shape within the intermediate map and update it accordingly.

В частности, области, ограниченные пользователем, назначаются как препятствия, а проходимые пользователем области назначаются как свободные пространства. In particular, areas restricted by the user are designated as obstacles, and areas traversable by the user are designated as free spaces.

Чтобы проиллюстрировать и оценить производительность предлагаемой программной среды, было проведено несколько различных типов экспериментов.To illustrate and evaluate the performance of the proposed software framework, several different types of experiments were conducted.

Эксперименты были проведены на компьютере со следующими характеристиками: Intel(R) Core(TM) i5-8265U CPU и 16 ГБ ОЗУ. Для предварительной обработки и генерации начальной промежуточной карты предлагаемый фреймворк был написан на C++, придерживаясь спецификации C++17. Мы использовали Ubuntu в качестве операционной системы для запуска фреймворка. Следовательно, фреймворк не привязан к конкретной операционной системе.The experiments were conducted on a computer with the following specifications: Intel(R) Core(TM) i5-8265U CPU and 16 GB RAM. For preprocessing and generating the initial intermediate map, the proposed framework was written in C++, adhering to the C++17 specification. We used Ubuntu as the operating system to run the framework. Therefore, the framework is not tied to a specific operating system.

Использовали две разные карты для всех экспериментов, описанных в следующих разделах. Карта 1 имела разрешение 5000 × 16000, а Карта 2 имела разрешение 6000 × 4000. Обе карты были преобразованы в пиксельную систему координат до проведения экспериментов. Обе карты охватывают несколько квадратных километров. Как Карта 1, так и Карта 2 состоят из нескольких географических объектов, включая деревья, внедорожные тропы, реки, водоемы и зоны с ограниченным доступом для пользователей.Two different maps were used for all experiments described in the following sections. Map 1 had a resolution of 5000 × 16000, and Map 2 had a resolution of 6000 × 4000. Both maps were converted to a pixel coordinate system before conducting the experiments. Both maps cover several square kilometers. Both Map 1 and Map 2 consist of several geographic features, including trees, off-road trails, rivers, water bodies, and areas with restricted user access.

Чтобы оценить производительность нашей внедорожной навигационной структуры, мы измерили два ключевых показателя: среднее время выполнения и использование памяти для глобального планирования пути. Среднее время выполнения - это среднее время выполнения, необходимое для глобального планирования. Использование памяти - это объем памяти, используемой для глобального планирования. Мы использовали профилировщик Procpath1 для отслеживания этих показателей. Промежуточная карта была построена в пиксельной системе координат, поэтому мы можем легко использовать любую методику планирования для целей проверки. Для всестороннего сравнения использовались два метода поиска по графу: A* и JPS, а также два метода выборки: RRT* и Informed RRT*. Эти показатели имеют решающее значение для оценки эффективности и практичности каждого алгоритма, особенно с точки зрения кинематической осуществимости и возможностей обработки в реальном времени. Первоначально мы выбрали 100 различных начальных и целевых положений на каждой карте, гарантируя, что минимальное смещение между любыми двумя начальными и целевыми точками составляет не менее 1 1A Инструмент профилирования https://pypi.org/project/Procpath/.To evaluate the performance of our off-road navigation framework, we measured two key metrics: average execution time and memory usage for global path planning. Average execution time is the average execution time required for global planning. Memory usage is the amount of memory used for global planning. We used the Procpath1 profiler to track these metrics. The intermediate map was built in a pixel-based coordinate system, so we can easily use either planning technique for validation purposes. For a comprehensive comparison, two graph search methods were used: A* and JPS, as well as two sampling methods: RRT* and Informed RRT*. These metrics are crucial to assess the efficiency and practicality of each algorithm, especially in terms of kinematic feasibility and real-time processing capabilities. We initially selected 100 different start and target positions on each map, ensuring that the minimum offset between any two start and target points was at least 1 1A Profiling tool https://pypi.org/project/Procpath/.

Алгоритм A* демонстрирует относительно низкое среднее время вычислений и использование памяти на обеих картах, что делает его пригодным для приложений в реальном времени. В частности, на Карте 1 A* требует 1,3567 секунды и 1,25 ГБ памяти, тогда как на Карте 2 он требует 0,7467 секунды и 0,95 ГБ памяти.The A* algorithm exhibits relatively low average computation time and memory usage on both maps, making it suitable for real-time applications. Specifically, on Map 1, A* requires 1.3567 seconds and 1.25 GB of memory, while on Map 2 it requires 0.7467 seconds and 0.95 GB of memory.

Его детерминированный и ограниченный подход к исследованию способствует его эффективности, хотя он может не так эффективно обрабатывать сложные кинематические ограничения, как другие методы. Для сравнения, алгоритм JPS (поиск точки перехода) показывает немного лучшую производительность, чем A*, как с точки зрения времени вычислений, так и использования памяти. Для Карты 1 JPS требует 1,1459 секунд и 1,12 ГБ памяти, а для Карты 2 - 0,5641 секунды и 0,85 ГБ памяти. JPS, как и A*, является детерминированным и использует ограниченное исследование, но его усовершенствования позволяют более эффективно находить путь и использовать память.Its deterministic and bounded exploration approach contributes to its efficiency, although it may not handle complex kinematic constraints as efficiently as other methods. In comparison, the JPS (Jump Point Search) algorithm shows slightly better performance than A* in terms of both computation time and memory usage. For Map 1, JPS requires 1.1459 seconds and 1.12 GB of memory, while for Map 2, it requires 0.5641 seconds and 0.85 GB of memory. JPS, like A*, is deterministic and uses bounded exploration, but its improvements allow for more efficient pathfinding and memory usage.

С другой стороны, алгоритмы RRT* и Informed RRT** демонстрируют существенные ограничения. Оба не могут создать возможные пути в пределах десятисекундного лимита, на что указывают их "Inf" значения для времени вычислений и использования памяти. Эта неудача предполагает, что эти вероятностные алгоритмы, независимо от того, независимо от того, ограничены они или нет в своих стратегиях поиска, не подходят для приложений реального времени в их текущих формах.On the other hand, the RRT* and Informed RRT** algorithms exhibit significant limitations. Both fail to generate feasible paths within the ten-second limit, as indicated by their "Inf" values for computation time and memory usage. This failure suggests that these probabilistic algorithms, whether or not they are bounded in their search strategies, are not suitable for real-time applications in their current forms.

Предложенный метод представляет собой сбалансированный компромисс между эффективностью и кинематической осуществимостью. Он показывает умеренное увеличение времени вычислений и использования памяти по сравнению с A* и JPS, но он обеспечивает важные преимущества с точки зрения кинематической осуществимости и возможностей в реальном времени. Для Карты 1 этот метод требует 1,6990 секунды и 1,28 ГБ памяти, а для Карты 2 - 0,8901 секунды и 1,14 ГБ памяти. Хотя он менее эффективен, чем JPS и A*, он компенсирует это, предлагая решение, которое соответствует кинематическим ограничениям, необходимым для сложных внедорожных сценариев.The proposed method represents a balanced compromise between efficiency and kinematic feasibility. It shows a moderate increase in computation time and memory usage compared to A* and JPS, but it provides important advantages in terms of kinematic feasibility and real-time capabilities. For Map 1, this method requires 1.6990 seconds and 1.28 GB of memory, while for Map 2, it requires 0.8901 seconds and 1.14 GB of memory. Although it is less efficient than JPS and A*, it compensates for this by offering a solution that meets the kinematic constraints required for complex off-road scenarios.

Подводя итог, анализ показывает, что A* и JPS являются эффективными онлайн-алгоритмами, подходящими для приложений в реальном времени, при этом JPS превосходит A* по времени вычислений и использованию памяти. Однако предлагаемый подход отдает приоритет кинематической осуществимости при сохранении разумной производительности: его среднее время выполнения и использование памяти немного выше, чем у методов поиска по графу, он гарантирует бесстолкновительный, маневренный путь транспортного средства (в отличие от A* и JPS). Этот компромисс достигается за счет следующих дополнительных операций: построение карты расстояний, которая обеспечивает эффективную оценку стоимости пути, гибридный A* для улучшения кривизны, который обеспечивает более плавные, кинематически осуществимые пути, и сглаживание пути, которое дополнительно уточняет путь для осуществимого обхода.In summary, the analysis shows that A* and JPS are efficient online algorithms suitable for real-time applications, with JPS outperforming A* in computation time and memory usage. However, the proposed approach prioritizes kinematic feasibility while maintaining reasonable performance: its average execution time and memory usage are slightly higher than those of graph search methods, and it guarantees a collision-free, maneuverable path for the vehicle (unlike A* and JPS). This trade-off is achieved through the following additional operations: distance map construction, which provides an efficient path cost estimate, hybrid A* for curvature enhancement, which provides smoother, kinematically feasible paths, and path smoothing, which further refines the path for a feasible traversal.

Благодаря этим дополнительным операциям структура гарантирует кинематическая осуществимость при сохранении приемлемой производительности в реальном времени. Выбор алгоритма должен основываться на конкретных потребностях приложения, включая требования к обработке в реальном времени и способность обрабатывать кинематические ограничения.These additional operations enable the framework to guarantee kinematic feasibility while maintaining acceptable real-time performance. The choice of algorithm should be based on the specific needs of the application, including real-time processing requirements and the ability to handle kinematic constraints.

Предлагаемый способ учитывает основные факторы, выходящие за рамки традиционных целей минимизации длины пути и времени в пути, включая производительность в реальном времени, кинематическую осуществимость и эффективное использование памяти. Эта структура эффективности памяти и среднего времени вычислений при сохранении основной цели оптимального поиска пути. Интеграция функций предварительной обработки и промежуточной генерации карт на основе предоставленных географических особенностей еще больше повышает практичность предлагаемого метода. Ключевой областью для будущей работы будет разработка стратегий локального планирования пути, которые учитывают проходимость в неструктурированных средах.The proposed method takes into account key factors beyond the traditional objectives of minimizing path length and travel time, including real-time performance, kinematic feasibility, and efficient memory usage. This framework is memory efficient and average computation time efficient while maintaining the primary objective of optimal path finding. The integration of preprocessing and intermediate map generation functions based on the provided geographic features further enhances the practicality of the proposed method. A key area for future work will be the development of local path planning strategies that take into account traversability in unstructured environments.

В то время как глобальный планировщик эффективно управляет крупномасштабным планированием пути, включение локального планирования пути в структуру позволит осуществлять более подробную и точную навигацию по более коротким горизонтам. Этот шаг имеет решающее значение для улучшения способности робота обрабатывать динамичные и сложные ландшафты, где требуется адаптивность в реальном времени.While the global planner effectively manages large-scale path planning, incorporating local path planning into the framework will allow for more detailed and accurate navigation over shorter horizons. This step is critical to improving the robot’s ability to handle dynamic and complex terrain where real-time adaptability is required.

Более того, хотя в настоящее время основное внимание уделяется оптимизации использования памяти и времени вычислений, будущие исследования могут изучить передовые методы для дальнейшего снижения этих параметров без ущерба для качества планирования пути. Кроме того, решение проблемы проходимости в неструктурированных средах, таких как те, где есть внезапные изменения рельефа или условий окружающей среды, будет иметь решающее значение. Реализация надежного подхода к локальному планированию пути потребует баланса между производительностью в реальном времени и требованиями высокого использования памяти и времени вычислений, поскольку эти факторы часто взаимодействуют сложными способами.Moreover, while the current focus is on optimizing memory usage and computation time, future research could explore advanced methods to further reduce these parameters without compromising the quality of path planning. In addition, addressing the problem of traversability in unstructured environments, such as those with sudden changes in terrain or environmental conditions, will be critical. Implementing a robust approach to local path planning will require a balance between real-time performance and the requirements of high memory usage and computation time, as these factors often interact in complex ways.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY

Заявленное изобретение может быть использовано в широком спектре приложений, включая поисково-спасательные операции, сельскохозяйственное и лесное хозяйство, строительство и инженерные изыскания. В отличие от дорожной навигации, движение по бездорожью часто связано с пересечением неизведанной и сложной местности.The claimed invention can be used in a wide range of applications, including search and rescue operations, agriculture and forestry, construction and engineering surveys. Unlike road navigation, off-road driving is often associated with crossing unknown and complex terrain.

Claims (2)

1. Способ навигации в труднопроходимых местах, включающий сбор данных квадрокоптера, отличающийся тем, что данные о местности собирают посредством квадрокоптера, на который устанавливают RTK-GPS, камеру и датчик LiDAR, квадрокоптер перемещают над целевым участком местности, во время полета записывают текущие координаты в системе координат EPSG 4326 и одновременно захватывают синхронизированные изображения и облака точек вдоль траектории движения, используют алгоритм LOAM (LiDAR Odometry and Mapping) для создания начальной входной карты в системе координат EPSG 4326, которая служит основой для дальнейшего анализа и уточнения с использованием инструментов QGIS, извлечение сложных географических объектов из данных облака точек с идентификацией маршрутов по бездорожью, обеспечивая полное понимание рельефа местности, создают промежуточную карту с учетом всех географических объектов, которая является задачей предобработки и хранит информацию о том, проходимо ли данное местоположение или нет, промежуточную карту выполняют в формате GeoTIFF либо в системе координат пикселей, обозначают исходное местоположение в блоке EPSG 4326, чтобы получить исходное местоположение использовались функциональные возможности библиотеки GDAL, сначала принимают данные геопривязки в формате GeoTIFF, который является стандартизированным открытым форматом географической метаданной информации, позволяющим включать информацию о геопривязке в изображения формата TIFF, глобальный планировщик пути использует построенную промежуточную карту и определенные пользователем области для создания путей в реальном времени, которые соответствуют кинематическим ограничениям, после этого интегрируют любой внедорожный локальный планировщик для маневрирования транспортного средства.1. A method for navigation in difficult-to-reach places, including collecting data from a quadcopter, characterized in that the terrain data is collected using a quadcopter on which an RTK-GPS, a camera and a LiDAR sensor are installed, the quadcopter is moved over a target area of the terrain, during the flight, the current coordinates are recorded in the EPSG 4326 coordinate system and synchronized images and point clouds are simultaneously captured along the trajectory of movement, the LOAM (LiDAR Odometry and Mapping) algorithm is used to create an initial input map in the EPSG 4326 coordinate system, which serves as a basis for further analysis and refinement using QGIS tools, extracting complex geographic features from point cloud data with the identification of off-road routes, providing a complete understanding of the terrain, creating an intermediate map taking into account all geographic features, which is a preprocessing task and stores information on whether the given location is passable or not, the intermediate map is made in GeoTIFF format or in a pixel coordinate system, the initial location is designated in the block EPSG 4326, to obtain the initial location, the functionality of the GDAL library was used, first accepting georeferenced data in GeoTIFF format, which is a standardized open format for geographic metadata information that allows georeferencing information to be included in TIFF images, the global path planner uses the constructed intermediate map and user-defined areas to create real-time paths that meet kinematic constraints, then integrating any off-road local planner for vehicle maneuvering. 2. Способ навигации по п.1, отличающийся тем, что промежуточная карта хранится как одномерный массив.2. The navigation method according to item 1, characterized in that the intermediate map is stored as a one-dimensional array.
RU2024140067A 2024-12-27 Method of navigation in difficult places RU2843719C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2843719C1 true RU2843719C1 (en) 2025-07-17

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9471625B2 (en) * 2005-06-27 2016-10-18 Google Inc. Dynamic view-based data layer in a geographic information system
RU2691679C1 (en) * 2018-02-15 2019-06-17 Андрей Владимирович ВАВИЛИН Method of creating track of movement for autonomous movement of movable object and method of autonomous movement of movable object along path of movement
US20190324972A1 (en) * 2012-12-04 2019-10-24 Intertrust Technologies Corporation Spatio-temporal data processing systems and methods
US20190340727A1 (en) * 2017-09-28 2019-11-07 Sentera, Inc. Multiple georeferenced aerial image crop analysis and synthesis
RU2770251C1 (en) * 2020-11-05 2022-04-14 Закрытое акционерное общество "ИНТЕГРА-С" System for controlling an unmanned aerial vehicle
US11525243B2 (en) * 2019-09-16 2022-12-13 Caterpillar Inc. Image-based productivity tracking system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9471625B2 (en) * 2005-06-27 2016-10-18 Google Inc. Dynamic view-based data layer in a geographic information system
US10795958B2 (en) * 2005-06-27 2020-10-06 Google Llc Intelligent distributed geographic information system
US20190324972A1 (en) * 2012-12-04 2019-10-24 Intertrust Technologies Corporation Spatio-temporal data processing systems and methods
US20190340727A1 (en) * 2017-09-28 2019-11-07 Sentera, Inc. Multiple georeferenced aerial image crop analysis and synthesis
RU2691679C1 (en) * 2018-02-15 2019-06-17 Андрей Владимирович ВАВИЛИН Method of creating track of movement for autonomous movement of movable object and method of autonomous movement of movable object along path of movement
US11525243B2 (en) * 2019-09-16 2022-12-13 Caterpillar Inc. Image-based productivity tracking system
RU2770251C1 (en) * 2020-11-05 2022-04-14 Закрытое акционерное общество "ИНТЕГРА-С" System for controlling an unmanned aerial vehicle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US12248881B2 (en) Annotating high definition map data with semantic labels
US10859395B2 (en) Lane line creation for high definition maps for autonomous vehicles
US10267634B2 (en) Distributed processing of pose graphs for generating high definition maps for navigating autonomous vehicles
CN108763287B (en) Construction method of large-scale passable regional driving map and unmanned application method thereof
US11590989B2 (en) Training data generation for dynamic objects using high definition map data
CN115342821B (en) A method for constructing navigation cost map for unmanned vehicles in complex and unknown environments
KR20200134313A (en) Relative Atlas and Its Creation for Autonomous Vehicles
Nieto et al. Denseslam: Simultaneous localization and dense mapping
CN113592891B (en) Unmanned vehicle passable domain analysis method and navigation grid map manufacturing method
Javanmardi et al. Autonomous vehicle self-localization based on multilayer 2D vector map and multi-channel LiDAR
Berrio et al. Long-term map maintenance pipeline for autonomous vehicles
RU2843719C1 (en) Method of navigation in difficult places
Domınguez et al. Internal simulation for autonomous robot exploration of lava tubes
Achat et al. A case study of semantic mapping and planning for autonomous robot navigation
Siejek et al. Methodology of spatial data acquisition and development of high-definition map for autonomous vehicles–case study from Wrocław, Poland
Zhao Recognizing features in mobile laser scanning point clouds towards 3D high-definition road maps for autonomous vehicles
Tian et al. High-definition mapping for autonomous driving in surface mines
Ennasr et al. Unmanned ground vehicle (UGV) path planning in 2.5 D and 3D
Zakharov et al. Algorithm for Edge Detection of Floodable Areas Based on Heightmap Data
Vargovčík et al. ANALYSIS OF STATE-OF-THE-ART SOFTWARE SOLUTIONS FOR UNSTRUCTURED OUTDOOR ENVIRONMENT PERCEPTION IN GOAL-ORIENTED NAVIGATION OF OFF-ROAD UNMANNED GROUND VEHICLES
Azevedo et al. A Planning Pipeline for Software Systems of Autonomous Vehicles
Chen et al. Navigation method of fire-fighting robot based on a commercial electronic map
Hamieh Road surface feature extraction and reconstruction of laser point clouds for urban environment
Dogruer et al. Satellite Imagery-Based Mapping Solutions for Autonomous Navigation in Outdoor Settings
Kim Path-Planning for Outdoor Navigation