CN102636799B - 一种确定无人机野外应急跑道的方法 - Google Patents
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Abstract
一种确定无人机野外应急跑道的方法，基于无人机跑道测试系统实现，该系统由基准站和移动站组成，移动站和基准站的构成相同，包含主控板、差分GPS板、数传电台板等。基准站用于获取并通过无线电链路向移动站发送GPS差分码，提高移动站定位精度。移动站采集机场跑道特定位置GPS数据，本发明通过快速多次采集野外应急备用场边缘GPS数据，获得野外应急备用场着陆场边界，通过选取特征点，获得野外应急备用场特征边界，进而通过数值寻优确定无人机野外应急跑道。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定无人机野外应急跑道的方法，用于为无人机在野外起飞着陆提供应急备用跑道参数。
背景技术
目前公知的野外应急备降跑道规划主要依据人力对地理信息进行分析、判断和实施，缺乏有力辅助规划，效率较低影响急备用跑道的部署能力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
克服现有技术的不足，提供了一种确定无人机野外应急跑道的方法，提高工作效率，建立野外备场必要的辅助规划能力。
本发明的技术解决方案是：
一种确定无人机野外应急跑道的方法，所述确定无人机野外应急跑道的方法依托于无人机跑道测试系统实现，无人机跑道测试系统包括基准站和移动站，移动站和基准站的结构组成相同，均包含差分GPS板、数传电台板、主控板、电池和机箱；
差分GPS板、数传电台板、主控板和电池均固定在机箱中，电池为差分GPS板、数传电台板和主控板供电，主控板与差分GPS板通过PC104总线连接，主控板与数传电台板通过RS232串行通讯连接；
基准站的差分GPS板用于产生差分码，并通过PC104总线提供给主控板，主控板通过数传电台板将所述差分码发送给移动站，移动站的主控板通过移动站的数传电台接收到所述差分码之后将该差分码提供给移动站的差分GPS板，移动站的差分GPS板根据GPS定位信息和所述差分码生成差分GPS定位信息，并将所述差分GPS定位信息通过PC104总线提供给移动站的主控板用以确定跑道；
所述确定无人机野外应急跑道的方法步骤如下：
(1)将基准站固定在野外环境中备降着陆场中心区域，并使基准站通电；
(2)基准站的差分GPS板不断采集基准站的GPS位置信息并进行平均计算，直到差分GPS板能够输出差分码，之后基准站向移动站发送该差分码；
(3)将移动站通电，之后监测移动站的差分GPS板是否进入了差分工作模式，当移动站的差分GPS板处于差分工作模式之后，进入步骤(4)；
(4)将移动站沿备降着陆场原始边界移动10周，采集沿原始边界的移动站位置信息，所有采集到的沿原始边界的移动站位置信息即形成了离散的原始边界图；
(5)根据步骤(4)中得到的原始边界图选择特征点；
(6)将所有特征点按照逆时针或者顺时针的方向使用直线段顺次连接，形成初始特征边界；
(7)初始特征边界中的每条直线段与形心相成的三角形面积为S1，所述初始特征边界中的每条直线段所对应的原始边界图的内沿与形心形成的扇面面积为S2，若S1/S2＞1.01或S1/S2＜0.95，则进入步骤(8)；否则执行步骤(9)；
(8)在对应的直线段上的两个特征点之间增加一个特征点，增加的特征点是以该直线段与形心形成的三角形，形心顶点的角平分线与原始边界图的内沿相交形成的，并重新返回步骤(6)；
(9)在确定的初始特征边界的条件下，确定初始特征边界中满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形，所述满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形即为无人机野外应急跑道。
所述步骤(4)中将移动站沿备降着陆场原始边界移动的速度不超过1m/s。
所述步骤(5)中根据原始边界图选择特征点通过如下步骤进行：
(3.1)计算所述原始边界图的形心；
(3.2)根据步骤(3.1)中得到的形心，提取原始边界图的内沿，该内沿即为着陆场边界；
(3.3)以形心出发发射8条射线，相邻两条射线之间间隔45度角，所述8条射线与着陆场边界相交，交点即为特征点；
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中移动站\基准站软硬件构成一致，可以相互作为备件；
(2)本发明中使用可单人手持的便携式智能设备，降低人员的劳动强度，提高工作效率，保证数据质量；
(3)基于差分GPS数据散布图确定其内沿作为野外应急备用着陆场的着陆场边界，在保障数据可靠性(提取得到的着陆场边界不超出原始边界)、保障测点几何密度的同时，极大的降低了位置信息采集的工作强度，提高了效率。
(4)本发明野外应急备用跑道辅助规划，引入野外应急备用着陆场的边界中特征点，和特征点选取判据，构造野外应急备用着陆场特征边界，降低数值巡优的计算强度，使野外应急备用跑道的寻优可以在手持设备中顺利实现。
附图说明
图1为本发明系统架构示意图；
图2野外应急跑道确定方法流程；
图3野外应急跑道确定方法寻优目标图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种确定无人机野外应急跑道的方法，基于无人机跑道测试系统实现，该系统包括基准站和移动站，移动站和基准站的结构组成相同，均包含差分GPS板、数传电台板、主控板、电池和机箱；基准站和移动通过无线电链路通讯。
差分GPS板、数传电台板、主控板和电池均固定在机箱中，电池为差分GPS板、数传电台板和主控板供电，主控板与差分GPS板通过PC104总线连接，主控板与数传电台板通过RS232串行通讯连接；
基准站的差分GPS板用于产生差分码(基准站通过较长时间平均某一固定地点GPS坐标，获取差分码)，并通过PC104总线提供给主控板，主控板通过数传电台板将所述差分码发送给移动站，移动站的主控板通过移动站的数传电台接收到所述差分码之后将该差分码提供给移动站的差分GPS板，移动站的差分GPS板根据GPS定位信息和所述差分码生成差分GPS定位信息，并将所述差分GPS定位信息通过PC104总线提供给移动站的主控板用以确定跑道。
如图2所示，为本发明提供的基于上述系统实现的一种确定无人机野外应急跑道的方法，按照如下步骤进行：
(1)将基准站固定在野外环境中备降着陆场中心区域，并使基准站通电；
(2)基准站的差分GPS板不断采集基准站的GPS位置信息并进行平均计算，直到差分GPS板能够输出差分码，之后基准站向移动站发送该差分码；
(3)将移动站通电，之后监测移动站的差分GPS板是否进入了差分工作模式，当移动站的差分GPS板处于差分工作模式之后，进入步骤(4)；
(4)将移动站沿备降着陆场原始边界移动10周，采集沿原始边界的移动站位置信息，移动站沿备降着陆场原始边界移动的速度不超过1m/s，本发明采集数据率为1Hz，这样相当于每隔1米至少有一个位置信息，所有采集到的沿原始边界的移动站位置信息即形成了离散的原始边界图；
(5)根据步骤(4)中得到的原始边界图选择特征点，通过如下步骤进行：
(a)计算所述原始边界图的形心，即将组成原始边界图的所有点的横纵坐标分别进行平均，得到的坐标点即为形心；
(b)根据步骤(a)中得到的形心，提取原始边界图的内沿，该内沿即为着陆场边界；得到内沿的方式有很多，比如Sobel算子等，
本发明以形心为中心点向四周发射射线，相邻射线之间间隔不大于1度，每条射线最早碰到的原始边界图上的点即为内沿上的组成点，将所有这样的点按照逆时针或者顺时针的方向顺次连接就形成了内沿；
(c)以形心出发发射8条射线，相邻两条射线之间间隔45度角，所述8条射线与着陆场边界相交，交点即为特征点；
(6)将所有特征点按照逆时针或者顺时针的方向使用直线段顺次连接，形成初始特征边界；
(7)初始特征边界中的每条直线段与形心相成的三角形面积为S1，所述初始特征边界中的每条直线段所对应的原始边界图的内沿与形心形成的扇面面积为S2，若S1/S2＞1.01或S1/S2＜0.95，则进入步骤(8)；否则执行步骤(9)；
(8)在对应的直线段上的两个特征点之间增加一个特征点，增加的特征点是以该直线段与形心形成的三角形，形心顶点的角平分线与原始边界图的内沿相交形成的，并重新返回步骤(6)；
(9)在确定的初始特征边界的条件下，确定初始特征边界中满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形，所述满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形即为无人机野外应急跑道，所述无人机跑道宽度要求为无人机设计参数。
如图3所示，本发明确定初始特征边界中满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形具体如下所示：
(9.1)任意给定实数k，b，假设跑道中心线在平面坐标系中为直线y＝k*x+b；
(9.2)构造两条直线L1，L2，它们与跑道中心线平行，并与跑道中心线均相距W/2(已知，W为无人机起降要求的最小跑道宽度)；
L1：y＝k＊x+b+W/(2cos(arctgk))；
L2：y＝k＊x+b-W/(2cos(arctgk))；
(9.3)计算L1、L2与特征边界的交点，用L1上的交点对L2作垂线并计算L2与垂线的交点A1、A2；L2上的交点对L1作垂线并计算L1与垂线的交点A3、A4。在A1～A4中随意选取两个特征边界的内点(处于特征边界范围内的点)，以及其根据跑道中心线的对称的两点，形成跑道矩形(可能形成不止一个矩形，以面积最大的一个为跑道矩形)；
(9.4)以跑道矩形面积最大为目标，对y＝k＊x+b中的k，b进行寻优；得到的面积最大的矩形即为无人机野外应急跑道，由于该矩形的宽是限定的(无人机跑道宽度要求为无人机设计参数)，因此面积最大的矩形也就是跑道长度最长的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种确定无人机野外应急跑道的方法，其特征在于：所述确定无人机野外应急跑道的方法依托于无人机跑道测试系统实现，无人机跑道测试系统包括基准站和移动站，移动站和基准站的结构组成相同，均包含差分GPS板、数传电台板、主控板、电池和机箱；
差分GPS板、数传电台板、主控板和电池均固定在机箱中，电池为差分GPS板、数传电台板和主控板供电，主控板与差分GPS板通过PC104总线连接，主控板与数传电台板通过RS232串行通讯连接；
基准站的差分GPS板用于产生差分码，并通过PC104总线提供给主控板，主控板通过数传电台板将所述差分码发送给移动站，移动站的主控板通过移动站的数传电台接收到所述差分码之后将该差分码提供给移动站的差分GPS板，移动站的差分GPS板根据GPS定位信息和所述差分码生成差分GPS定位信息，并将所述差分GPS定位信息通过PC104总线提供给移动站的主控板用以确定跑道；
所述确定无人机野外应急跑道的方法步骤如下：
(1)将基准站固定在野外环境中备降着陆场中心区域，并使基准站通电；
(2)基准站的差分GPS板不断采集基准站的GPS位置信息并进行平均计算，直到差分GPS板能够输出差分码，之后基准站向移动站发送该差分码；
(3)将移动站通电，之后监测移动站的差分GPS板是否进入了差分工作模式，当移动站的差分GPS板处于差分工作模式之后，进入步骤(4)；
(4)将移动站沿备降着陆场原始边界移动10周，采集沿原始边界的移动站位置信息，所有采集到的沿原始边界的移动站位置信息即形成了离散的原始边界图；
(5)根据步骤(4)中得到的原始边界图选择特征点，通过如下步骤进行：
(5.1)计算所述原始边界图的形心；
(5.2)根据步骤(5.1)中得到的形心，提取原始边界图的内沿，该内沿即为着陆场边界；
(5.3)以形心出发发射8条射线，相邻两条射线之间间隔45度角，所述8条射线与着陆场边界相交，交点即为特征点；
(6)将所有特征点按照逆时针或者顺时针的方向使用直线段顺次连接，形成初始特征边界；
(7)初始特征边界中的每条直线段与形心形成的三角形面积为S1，所述初始特征边界中的每条直线段所对应的原始边界图的内沿与形心形成的扇面面积为S2，若S1/S2＞1.01或S1/S2＜0.95，则进入步骤(8)；否则执行步骤(9)；
(8)在对应的直线段上的两个特征点之间增加一个特征点，增加的特征点是以该直线段与形心形成的三角形，形心顶点处的角的的角平分线与原始边界图的内沿相交形成的，并重新返回步骤(6)；
(9)在确定的初始特征边界的条件下，确定初始特征边界中满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形，所述满足无人机跑道宽度要求的最长的矩形即为无人机野外应急跑道，具体为：
(9.1)任意给定实数k，b，假设跑道中心线在平面坐标系中为直线y＝k＊x+b；
(9.2)构造两条直线L1，L2，它们与跑道中心线平行，并与跑道中心线均相距W/2，W为无人机起降要求的最小跑道宽度；
L1：y＝k＊x+b+W/(2cos(arctgk))；
L2：y＝k＊x+b-W/(2cos(arctgk))；
(9.3)计算L1、L2与特征边界的交点，用L1上的交点对L2作垂线并计算L2与垂线的交点A1、A2；L2上的交点对L1作垂线并计算L1与垂线的交点A3、A4；在A1～A4中随意选取两个特征边界的内点，即处于特征边界范围内的点，以及其根据跑道中心线的对称的两点，形成跑道矩形；
(9.4)以跑道矩形面积最大为目标，对y＝k＊x+b中的k，b进行寻优；得到的面积最大的矩形即为无人机野外应急跑道，面积最大的矩形也就是跑道长度最长的矩形。
2.根据权利要求1所述的一种确定无人机野外应急跑道的方法，其特征在于：所述步骤(4)中将移动站沿备降着陆场原始边界移动的速度不超过1m/s。
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