CN107016882A - 一种低空域的无人机冲突避免系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低空域的无人机冲突避免系统及方法,包括有：通过飞行数据记录模块采集无人机飞行信息，通过无线数传模块将无人机的飞行信息相关数据到地面无人机监管系统，以计算无人机的飞行轨迹；地面无人机监管系统采用冲突避免算法进行无人机飞行信息数据处理，并实时告知无人机操控员无人机的状态信息。本发明通过GPS测量各无人机的三维空间直角坐标，再通过采用三次样条曲线拟合方法对无人机当前一段时间的飞行轨迹进行拟合，通过计算各个无人机之间的飞行轨迹曲线的最接近距离是否小于安全距离，来判断彼此之间是否将会发生冲突，并将冲突结果及时通知操控无人机的飞控手来及时改变无人机的飞行方向和速度。
Description
技术领域
本发明涉及低空域无人机，具体涉及一种基于低空域无人机的冲突避免系统及方法。
背景技术
随着无人机技术的不断发展与应用，越来越多的小型固定翼或者旋翼无人机被应用到我们的日常生活中。我们可以用这些小型无人机来搭载摄像机在空中拍摄图像、勘测地形以及用作植保机来向农作物喷洒农药等等。但是这样会导致低空域中出现大量的无人机，这样在飞行过程中，无人机与无人机之间可能会发生碰撞，造成安全事故。因此，当无人机在低空域飞行做任务时，如何避免无人机与无人机之间发生冲突、防止发生碰撞，便变得越来越重要。传统的无人机冲突避免方法不仅效率低下，而且常常会由于无人机的操控人员无法及时反应和判断无人机可能会发生冲突，造成无人机之间发生碰撞，发生安全事故。
目前，低空域的无人机冲突避免方法主要还是无人机的操作人员通过人眼直接观察天空中的无人机或者通过地面站观察无人机之间是否有碰撞趋势，然后及时的操控无人机，改变无人机的飞行速度或者方向，从避免发生冲突。但这种方式不可避免地存在由于操控员的视角偏差或者无人机飞行速度太快，操控员来不及反应等原因，无法准确及时的操作无人机，造成无人机之间发生碰撞。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种新的低空域无人机冲突避免方法，大大地提高低空域中无人机飞行的安全性以及可靠性，且该无人机冲突避免方法简单有效，在无人机监管行业中将有广泛的应用前景。
为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明还公开一种低空域的无人机冲突避免系统，包括有设置在各无人机内的飞行数据记录模块和无线数传模块、与无人机通过无线数传模块交换数据的地面无人机监管系统；所述飞行数据记录模块包括有用以接受通信卫星的GPS定位信息的GPS模块和记录无人机飞行速度的加速度传感器；所述地面无人机监管系统包括有数据采集服务器和数据分析服务器；所述数据采集服务器用于存储接收到的各无人机位置和速度信息；所述数据分析服务器用于分析数据采集服务器的无人机位置和速度信息，以计算各无人机的飞行轨迹曲线。
进一步，所述飞行数据记录模块还包括有模数转换模块，其用以将采集的无人机在84 坐标系下三维坐标和无人机相对大地速度的模拟信号转换为数字信号，模数转换模块的输出端与无人机的无线数传模块通信连接。
本发明公开一种低空域的无人机冲突避免方法，包括步骤如下：
步骤S1,通过飞行数据记录模块采集无人机飞行信息，通过无线数传模块将无人机的飞行信息相关数据到地面无人机监管系统，以计算无人机的飞行轨迹；
步骤S2，地面无人机监管系统采用冲突避免算法进行无人机飞行信息数据处理，并实时告知无人机操控员无人机的状态信息。
所述步骤S1具体包括如下步骤：
步骤S11：获得WGS-84坐标系下的无人机的三维坐标；
步骤S12：采用7参数变换法获得BJ-54坐标系下的无人机的三维空间直角坐标；
步骤S13：通过飞行数据记录模块测得无人机的对地速度；
步骤S14：通过该飞行数据记录块上的AD转换模块将无人机的位置信息以及速度信息的模拟量转化为数字量；
步骤S15：通过无线数传模块实施无人机以及地面无人机监管系统的实时通信，将飞行数据记录模块获得的无人机的位置信息以及速度信息及时的传回地面无人机监管系统的数据采集服务器进行存储。
所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21：地面无人机监管系统的数据分析服务器采用冲突避免算法，将离散坐标点拟合成无人机的飞行轨迹曲线；
步骤S22：对于任意两架无人机的飞行轨迹曲线求出两条轨迹曲线的最近距离，并判断是否小于安全距离；
步骤S23：通过GPRS的通信方式，将地面无人机监管系统的数据分析服务器的冲突避免算法运行结果发送给无人机的操控手；
步骤S24：下一时刻在地面无人机监管系统的数据分析服务器上舍去无人机飞行的最末尾的离散坐标点，添加新的离散坐标点采用三次样条曲线拟合算法重新拟合无人机的飞行轨迹曲线，再循环执行上述步骤来进行无人机冲突避免。
本发明的一种低空域的无人机冲突避免系统及方法，通过采用安装在无人机上的飞行数据记录模块实时提供的该无人机的GPS信息以及速度信息等等，计算出各个无人机之间的相对距离以及相对速度，在操控手获取这些信息，及时地改变无人机的飞行速度大小和方向，以达到防止无人机之间发生碰撞，进行冲突避免的目的。
附图说明
图1为本发明的低空域的无人机冲突避免系统的结构框图。
图2为本发明的低空域的无人机冲突避免方法的步骤图。
图3为本发明的低空域的无人机冲突避免方法在飞行数据记录侧的算法流程图。
图4为本发明的低空域的无人机冲突避免系统与无人机操控手间的通信示意图
图5为本发明的低空域的无人机冲突避免方法在地面无人机监管系统侧的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
参看图1，为一种低空域的无人机冲突避免系统的结构框图，包括有设置在各无人机10 内的飞行数据记录模块11和无线数传模块12、与无人机通过无线数传模块12交换数据的地面无人机监管系统20；
所述飞行数据记录模块11包括有用以接受通信卫星30的GPS定位信息的GPS模块和记录无人机飞行速度的加速度传感器；
所述地面无人机监管系统30包括有数据采集服务器21和数据分析服务器22；所述数据采集服务器21用于存储接收到的各无人机位置和速度信息；所述数据分析服务器22用于分析数据采集服务器21的无人机位置和速度信息，以计算各无人机10的飞行轨迹曲线。
所述飞行数据记录模块11还包括有模数转换模块(未图示)，其用以将采集的无人机在 84坐标系下三维坐标和无人机相对大地速度的模拟信号转换为数字信号，模数转换模块的输出端与无人机的无线数传模块通信连接。
所述无人机地面站系统的数据分析服务器与无人机操作手的手持客户端通过移动无线数据网络通信连接，数据分析服务器执行无人机冲突避免算法后的结果发送给无人机操作手的手持客户端。
所述无人机操作手的手持客户端为手机、平板或遥控控制器。
参看图2，一种低空域的无人机冲突避免方法，包括步骤如下：
步骤S1,通过飞行数据记录模块采集无人机飞行信息，通过无线数传模块将无人机的飞行信息相关数据到地面无人机监管系统，以计算无人机的飞行轨迹；
步骤S2，地面无人机监管系统采用冲突避免算法进行无人机飞行信息数据处理，并实时告知无人机操控员无人机的状态信息。
参看图3，作为所述步骤S1具体实施例，其包括如下步骤：
步骤S11：获得WGS-84坐标系下的无人机的三维坐标；安装在无人机上的飞行数据记录模块11包含有GPS模块可以获得该无人机10的经纬度信息；GPS模块采用交汇定位的方法来进行定位，由于卫星和接收机的时钟不同步的原因，接收机必须要接受到不少于4颗可用的卫星才可利用下面公式求得所在位置。
公式中的(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，(x4，y4，z4)分别为四颗卫星的GPS坐标，(x，y，z)为GPS的接收机的三维坐标，c为光速，Δt为四颗卫星时钟时间误差补偿，d1,d2,d3,d4，分别为四颗卫星到GPS接收机的距离。通过求解上面方程组的四个四元二次方程就可以获得接收机的三维坐标(x，y，z)，即是该无人机在WGS-84坐标系下的三维坐标；
步骤S12：采用7参数变换法获得BJ-54坐标系下的无人机的三维空间直角坐标；由于通过GPS测量得到的是WGS-84坐标系下的无人机的三维坐标，直接采用通常会有较大误差，可以通过七参数法进行坐标变换，将WGS-84坐标系下的无人机的三维坐标转换到我国的 BJ-54坐标系下的三维坐标。在七参数坐标转换模型中，两个坐标系除平移参数外，坐标轴还存在旋转参数及尺度比参数，共七个参数；WGS—84椭球与BJ—54坐标系所属的克拉索夫斯基椭球有差异，因此要将WGS—84系空间直角坐标系转化到54系高斯平面坐标，首先得完成WGS—84椭球到克拉索夫斯基椭球的转代，数学模型采用布尔莎公式：
其中，m为尺度比参数，εx，εy，εz为旋转参数，ΔX0,ΔY0,ΔZ0为平移参数。对该公式精
加变换：
解算这七个参数，至少要用到三个已知点，采用间接平差模型进行解算：
V＝AX-L (4)
其中：V为残差矩阵；X为未知七参数；A为系数矩阵；L为闭合差：
解之：
X＝(ATA)-1ATL (6)
解得七参数，每输入一坐标值，就能求出它在新坐标系中的坐标，有时在转换精度要求不太高时，也可采用五参数布尔模型(去掉旋转参数εx,εy)这样，模型就为：
解算时只需两个已知点即可，解算方法与七参数法完全相同；
步骤S13：通过飞行数据记录模块测得无人机的对地速度；
步骤S14：通过该飞行数据记录块上的AD转换模块将无人机的位置信息以及速度信息的模拟量转化为数字量；
步骤S15：通过无线数传模块实施无人机以及地面无人机监管系统的实时通信，将飞行数据记录模块获得的无人机的位置信息以及速度信息及时的传回地面无人机监管系统的数据采集服务器进行存储。
参看图4和图5，作为另一个具体实施例，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21：地面无人机监管系统的数据分析服务器采用冲突避免算法，将离散坐标点拟合成无人机的飞行轨迹曲线；将由数据采集服务器存储的，在监管范围内的每架无人机当前一段时间飞行的离散坐标点采用三次样条曲线拟合算法拟合成无人机的飞行轨迹曲线；三次样条函数曲线具有的最高多项式插值精度是三次多项式函数，所谓三次多项式函数，它的函数表达式Sn(x)是一种的分段函数，它在节点xi(a＝x0＜xi＜...xn-1＜xn＝b)分成的每个小区间 [xi-1,xi]上是3次多项式，其在此区间上的表达式如下：
因此，只要确定了Mi的值，就确定了整个表达式，Mi的计算方法如下。令：
则Mi满足如下n-1个方程：
μiMi-1+2Mi+λiMi+1＝di,i＝1,2,...,n-1. (10)
对于第一种边界条件下有
如果令
那么解就可以为：
求解出上面的矩阵方程就可以求得Mi(i＝0,1,2,3,....,n)，从而可以确定整个函数表达式来拟合无人机的运动轨迹；
步骤S22：对于任意两架无人机的飞行轨迹曲线求出两条轨迹曲线的最近距离，并判断是否小于安全距离；若最近距离大于两架无人机之间的安全距离，则说明这两架无人机之间不会发生冲突；若最近距离小于或等于两架无人机之间的安全距离，则说明这两架无人机之间有可能发生冲突，此时可进一步根据两无人机之间的相对速度以及相对位移进一步判断两架无人机是否会发生冲突；
步骤S23：通过GPRS的通信方式，将地面无人机监管系统的数据分析服务器的冲突避免算法运行结果发送给无人机的操控手；该操控手通过地面站的显示屏实时的观察所操控无人机的飞行状态，如果数据分析服务器运行结果告知该操控手的无人机可能会与某架无人机发生碰撞，则该操控手应该立即改变该无人机的飞行速度或飞行方向，否则继续维持该无人机的飞行状态，安全飞行；
步骤S24：下一时刻在地面无人机监管系统的数据分析服务器上舍去无人机飞行的最末尾的离散坐标点，添加新的离散坐标点采用三次样条曲线拟合算法重新拟合无人机的飞行轨迹曲线，再循环执行上述步骤来进行无人机冲突避免。
所述无人机的飞行轨迹曲线是由在监管范围内的每架无人机当前一段时间飞行的离散坐标点经三次样条曲线拟合算法拟合的。
本发明一种新颖的低空域无人机冲突避免方法，首先通过安装在无人机上的飞行数据记录仪模块来实时采集的该无人机的飞行状态信息，然后通过无限数传模块将该信息及时的传回到无人机监管系统的数据采集服务器，数据采集服务器在对相关数据进行保存后，由该系统的数据分析服务器采用冲突避免算法，通过计算多架无人机之间的相对距离以及相对速度来判断当前时刻该无人机是否处于危险地带，如果是，则通过GPRS无线通信的方式及时的告知该无人机的操控手，该操控手就可以通过观察地面站上此时无人机的状态，及时的改变无人机的飞行方向以及飞行速度，从而避免该无人机与其他无人机发生冲突，确保飞行安全。这样的做法与传统的无人机冲突避免方法相比，不仅避免冲突的效率得到提升，而且更加的智能化，更加的安全，大大提高了低空域的无人机冲突避免的准确性与稳定性。因此这种新的基于低空域的无人机冲突避免方法在无人机监管领域中将有广泛的应用前景。
上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种低空域的无人机冲突避免系统，其特征在于，包括有设置在各无人机内的飞行数据记录模块和无线数传模块、与无人机通过无线数传模块交换数据的地面无人机监管系统；所述飞行数据记录模块包括有用以接受通信卫星的GPS定位信息的GPS模块和记录无人机飞行速度的加速度传感器；所述地面无人机监管系统包括有数据采集服务器和数据分析服务器；所述数据采集服务器用于存储接收到的各无人机位置和速度信息；所述数据分析服务器用于分析数据采集服务器的无人机位置和速度信息，以计算各无人机的飞行轨迹曲线。
2.根据权利要求1所述的低空域的无人机冲突避免系统，其特征在于，所述飞行数据记录模块还包括有模数转换模块，其用以将采集无人机在84坐标系下的三维坐标和无人机相对大地的速度，模数转换模块的输出端与无人机的无线数传模块通信连接。
3.根据权利要求2所述的低空域的无人机冲突避免系统，其特征在于，所述无人机地面站系统的数据分析服务器与无人机操作手的手持客户端通过移动无线数据网络通信连接，数据分析服务器执行无人机冲突避免算法后的结果发送给无人机操作手的手持客户端。
4.根据权利要求3所述的低空域的无人机冲突避免系统，其特征在于，所述无人机操作手的手持客户端为手机、平板或遥控控制器。
5.一种低空域的无人机冲突避免方法，应用于权利要求1至4任意一项所述的低空域的无人机冲突避免系统,其特征在于，包括步骤如下：
步骤S1,通过飞行数据记录模块采集无人机飞行信息，通过无线数传模块将无人机的飞行信息相关数据到地面无人机监管系统，以计算无人机的飞行轨迹；
步骤S2，地面无人机监管系统采用冲突避免算法进行无人机飞行信息数据处理，并实时告知无人机操控员无人机的状态信息。
6.根据权利要求5所述的低空域的无人机冲突避免方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：
步骤S11：获得WGS-84坐标系下的无人机的三维坐标；
步骤S12：采用7或5参数变换法获得BJ-54坐标系下的无人机的三维空间直角坐标；
步骤S13：通过飞行数据记录模块测得无人机的对地速度；
步骤S14：通过该飞行数据记录块上的AD转换模块将无人机的位置信息以及速度信息的模拟量转化为数字量；
步骤S15：通过无线数传模块实施无人机以及地面无人机监管系统的实时通信，将飞行数据记录模块获得的无人机的位置信息以及速度信息及时的传回地面无人机监管系统的数据采集服务器进行存储。
7.根据权利要求6所述的低空域的无人机冲突避免方法，其特征在于，步骤S11所述的获取无人机的三维坐标是通过飞行数据记录模块中的GPS模块获取无人机的经纬度信息，所述GPS模块采用接收到不少于4颗卫星的无人机经纬度信息进行交汇定位方法定位。
8.根据权利要求6所述的低空域的无人机冲突避免方法，其特征在于，所述7或5参数变换法如下所述：
首先得完成WGS—84椭球到克拉索夫斯基椭球的转代，数学模型采用布尔莎公式：
其中，m为尺度比参数，εx，εy，εz为旋转参数，ΔX0,ΔY0,ΔZ0为平移参数；对该公式正交变换：
求解尺度比参数m、旋转参数εx，εy，εz、平移参数ΔX0,ΔY0,ΔZ0的计算方法即为7参数变换法；忽略旋转参数εx，εy，考虑求解旋转参数εz、尺度比参数m、平移参数ΔX0,ΔY0,ΔZ0的计算方法即为5参数变换法。
9.根据权利要求5所述的低空域的无人机冲突避免方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21：地面无人机监管系统的数据分析服务器采用冲突避免算法，将离散坐标点拟合成无人机的飞行轨迹曲线；
步骤S22：对于任意两架无人机的飞行轨迹曲线求出两条轨迹曲线的最近距离，并判断是否小于安全距离；
步骤S23：通过GPRS的通信方式，将地面无人机监管系统的数据分析服务器的冲突避免算法运行结果发送给无人机的操控手；
步骤S24：下一时刻在地面无人机监管系统的数据分析服务器上舍去无人机飞行的最末尾的离散坐标点，添加新的离散坐标点采用三次样条曲线拟合算法重新拟合无人机的飞行轨迹曲线，再循环执行上述步骤来进行无人机冲突避免。
10.根据权利要求9所述的低空域的无人机冲突避免方法，其特征在于，所述无人机的飞行轨迹曲线是由在监管范围内的每架无人机当前一段时间飞行的离散坐标点经三次样条曲线拟合算法拟合的。
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