CN107450586B - 航路的调整方法和系统以及无人机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航路的调整方法和系统。上述方法包括步骤：获取新目标的位置坐标；根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离；根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据所述调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路；根据原航路、第一航路以及航行参数获取新航路。通过上述航路的调整方法和系统，实现了根据目标的变化，及时、有效地调整航路。另外还提供了一种无人机系统，通过目标识别模块与飞行控制器的协同作用，在无人机自动巡航过程中及时准确地发现新目标并调整航路，提高了无人机的巡航的灵活性和准确性。

Description

航路的调整方法和系统以及无人机系统
技术领域
本发明涉及巡航技术领域，特别是涉及航路的调整方法和系统以及无人机系统。
背景技术
在巡航技术中，对于航路规划的研究是重中之重，合理快速的规划航路对于巡航侦察的结果有着重大的意义。
传统的技术可以实现在巡航之前根据地形、目标信息、静态威胁等信息预先规划任务航路，但在巡航过程中，无法根据目标的变化及时有效地对航路进行调整，从而导致目标追踪效率低。
例如，被广泛应用于巡航任务当中的无人机，由于其体型较小、机动性高，在民用和军用领域受到广泛关注。但是，传统的无人机在巡航过程中，由于在飞行过程中无法及时识别出目标的变化，导致无法根据新目标的信息快速调整飞行航路，导致灵活性不好、侦察准确性不高。
发明内容
基于此，有必要针对无法根据目标的变化及时有效地对航路进行调整的问题，提供一种航路的调整方法和系统。
一种航路的调整方法，包括以下步骤：
获取新目标的位置坐标；
根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离；
根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路；
根据原航路、第一航路以及转弯半径获取新航路。
一种航路的调整系统，包括：
坐标获取模块，用于获取新目标的位置坐标；
距离获取模块，用于根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离；
航路形成模块，用于根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路；
航路合并模块，用于根据原航路、第一航路以及转弯半径获取新航路。
上述航路的调整方法和系统，根据巡航过程中识别到的新目标，选取恰当的位置作为航路调整计算的坐标点，规划当前位置到新目标的航路，并合理地进行航路合并，实现了根据目标的变化，及时、有效地调整航路。
另外，还有必要针对上述无法根据新目标的信息快速调整飞行航路的问题，提供一种无人机系统。
一种无人机系统，包括：无人机本体、航拍装置以及安装在无人机本体内部的飞行控制器；
所述航拍装置包括目标识别模块，所述目标识别模块与飞行控制器电性连接，用于对采集到的图像信息中的新目标进行识别；所述飞行控制器执行上述任意一种航路的调整方法。
上述无人机系统，通过目标识别模块与飞行控制器的协同作用，在无人机自动巡航过程中及时准确地发现新目标，并根据新目标调整飞行航路，提高了无人机的巡航的灵活性和准确性。
附图说明
图1为一个实施例的航路的调整方法的流程图；
图2为一个实施例的原航路和第一航路合并生成新航路的示意图；
图3为一个实施例的航路的调整系统的结构示意图；
图4为一个应用实例中的无人机系统的结构示意图；
图5为一个应用实例在无人机系统中使用航路的调整方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。本发明的技术方案，可以应用在无人机、无人船，或者其他自动巡航装置上。
图1示出了一个实施例的航路的调整方法的流程图，主要包括如下步骤：
步骤S10：获取新目标的位置坐标。
在本步骤中，新目标是巡航过程中出现的与原设定目标所在位置不一致的目标，可以是由原目标发生移动到达与原设定位置不一致的位置上而产生的，也可以是突然出现的其他目标；新目标的位置指新目标中心点的坐标，可以是根据新目标的位置信息通过坐标计算而获得的坐标，也可以是由控制端发来的通过GPS定位的坐标。
在一个实施例中，步骤S10包括：采集目标方向上的图像；根据所述图像识别新目标；根据所述新目标在图像中的位置计算新目标的位置坐标。
具体地，可以通过图像采集模块对四周各个方向进行图像或视频的采集，图像采集模块可以包括一个或多个摄像头模组，在采集到的图像上通过图像识别模块对新目标进行识别，根据识别出的新目标的位置信息，提取新目标中心的位置坐标。
可选地，还可以通过超声波或红外对新目标进行识别和定位。通过图像采集模块以及目标识别模块能够有效判断预设目标的改变状态，及时得知突发情况出现的位置，从而及时作出航路的调整和规划，提高了航路调整的效率和准确性。
进一步地，可以通过图像预处理模块对采集到的图像信息进行图像预处理，可以对图像进行去噪、图像增强、压缩、编码或加密等操作，然后将处理后的图像传送至目标识别模块进行目标识别。图像预处理模块通过对采集到的图像信息进行分析和处理，提高了图像的质量，使目标更加清晰，有利于图像的识别。
进一步地，还可以通过无线传输模块将采集到的图像数据传输至显示终端，可以通过wifi、蓝牙、3G或4G通信模块进行传送，使得显示终端可以实时显示周围环境情况，根据目标的变化情况，发出是否继续巡航的指令；可以在收到显示终端发送的继续巡航的指令后，启动航路调整。通过无线传输模块可以与显示终端进行数据的交互，向显示终端实时发送沿路的侦察信息，提高了巡查的效率和可靠性。
在一个实施例中，在根据所述图像识别新目标的步骤之后还包括步骤：判断新目标的覆盖范围是否与所述原航路有重合；若是，执行根据所述新目标在图像中的位置计算新目标的位置坐标的步骤。
其中，目标的覆盖范围是以目标的中心坐标为圆心，根据覆盖半径所确定的范围，若闯入该范围内，可能会受到该目标的影响；在判断原航路中的某一段是否落入到新目标的覆盖范围内时，可以进一步根据需要设定新目标对原航路的覆盖程度，当超过预设的覆盖程度时(例如，覆盖程度超过百分之十、二十等)，执行根据所述新目标在图像中的位置计算新目标的位置坐标的步骤。
进一步地，在判断新目标的覆盖范围与所述原航路有重合后，则将新目标更新至目标列表，取代原设定的目标，根据新目标在图像中的位置信息，计算新目标的位置坐标。
通过判断新目标对原航路的覆盖状态，可以准确地确定可能影响航行的目标并及时进行目标更新，且可以将不影响巡航的目标筛除在外，提高目标追踪的准确性。
步骤S20：根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离。
在本步骤中，根据新目标的位置坐标以及当前位置坐标，利用两点之间的距离公式，计算当前位置到新目标的距离。
步骤S30：根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据所述调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路。
在本步骤中，根据当前航行方向，在当前位置前方的原航路上确定一个或多个调整坐标，该调整坐标的确定受到当前位置到新目标之间的距离的约束；在确定好调整坐标后，以调整坐标和新目标的位置坐标为航路计算的起始点和终止点，在上述两点之间动态规划第一航路；其中，规划航路的方法可以采用基于快速随机搜索树的算法、基于优化粒子群的算法等。
在一个实施例中，步骤S30根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路的步骤可以包括：获取所述新目标的覆盖半径，根据所述覆盖半径、第一距离，以及预设的调整参数获取新目标到原航路的第二距离，根据所述第二距离以及新目标的位置坐标在原航路上确定调整坐标。
其中，新目标的覆盖半径是以新目标的位置坐标为中心，向远处延伸至其所能触及的最远地方的距离，一般认为，到达了目标的覆盖范围之内就是进入了该目标的区域，所以，可以根据覆盖半径、第一距离，以及预设的调整参数计算新目标到原航路的第二距离；确定了新目标到原航路的第二距离以及新目标的位置坐标，可以根据两点之间的距离公式，在已知一个端点坐标和距离的情况下，可以求得另一端点的坐标，再根据此坐标是落在原航路上这个约束条件，在原航路上确定该调整点的具体位置坐标。
在一个实施例中，第二距离可以满足如下公式：
d＝k(L-R)；
其中，d表示所述第二距离，L表示当前位置到新目标的第一距离，R表示新目标的覆盖半径，k表示预设的调节参数。其中，以当前位置到新目标的第一距离L与新目标的覆盖半径R之间的距离差值以及预设的调节参数约束了第二距离，k为调节参数，在复杂环境中，k应该采用较小的数值，一般情况下，k的取值范围在2至3之间；具体根据实际情况而定。
当k在上述范围内取值时，第二距离的长度较小，在调整坐标与新目标的位置坐标之间规划第一航路的成功率会增高，更容易找到最优路径。
在一个实施例中，所述第一距离与所述覆盖半径之间的差值距离不小于设定的最小水平前进距离。
具体地，在识别到新目标时，尚且没有进入到新目标的覆盖范围，而且当前位置到新目标的第一距离L与新目标的覆盖半径R之间的距离差值应该不小于水平前进的最小距离，例如，对于无人机来说，当前位置到新目标的第一距离L与新目标的覆盖半径R之间的距离差值应该不小于无人机升空后可水平飞行的最短距离。由于航路生成需要一定的时间，若两者之间的距离差值过小，可能会影响航路规划的准确性。
步骤S40：根据原航路、第一航路以及航行参数获取新航路。
在本步骤中，原航路是当前航行的航路，第一航路是根据调整坐标和新目标的中心位置坐标动态生成的航路；航行参数可以是航行姿态、巡航速度、爬升高度以及转弯半径等。
例如，根据原航路、第一航路以及航行参数，可以将原航路和第一航路合并，获得一条新航路，其中，连接原航路和第一航路的那部分航路可以平滑处理，设置成圆弧航路、抛物线航路或椭圆航路等。
下面以航行参数取转弯半径为例，如图2所示，图2为一个实施例的原航路和第一航路合并生成新航路的示意图；
图中，在新目标c的中心位置坐标与调整坐标a3之间生成了第一航路b，第一航路b与原航路a通过调整坐标a3连接在一起；根据转弯半径的大小，可以将原航路a与第一航路b通过调整坐标a3连接的转弯处进行平滑处理。
以无人机为例，由于调整坐标a3是原航路a和第一航路b的连接处的根节点，当第一航路b动态规划完成后，该点将成为无人机转弯的导航点，但是，若以此点作为转弯导航点，无人机需要先到达此点处后，再进行较大角度的转弯掉头，不仅增加了不必要的巡航路径，同时增加了无人机调转方向的难度，在连接处进行圆滑处理，可以优化航行路径。
在一个实施例中，根据航行参数获取弧线航路d，获取该弧线航路d分别与原航路a和第一航路b相切的转弯起始点坐标a2和转弯终止点坐标b1；根据所述当前位置坐标a1、转弯起始点坐标a2、转弯终止点坐标b1以及新目标c的位置坐标，将当前位置坐标a1与转弯起始点坐标a2之间的原航路a部分，转弯起始点坐标a2和转弯终止点坐标b1之间的弧线航路d部分，以及转弯终止点坐标b1与新目标c的位置坐标之间的第一航路b部分进行合并，得到新航路。
航路调整后，无人机沿新航路航行的过程为：从当前位置的坐标a1开始，沿着原航路a行进，在转弯起始坐标a2处转弯进入弧线航路d，在转弯终止坐标b1处转弯进入第一航路b，沿第一航路b继续向新目标c行进，直至进入新目标c的覆盖范围内(用图中虚线圆表示)。根据转弯半径确定的弧线航路d与原航路a和第一航路b相切，最大程度缩短了航行路径，提高了转弯效率。
上述航路的调整方法，根据巡航过程中识别到的新目标，选取恰当的位置作为航路调整计算的坐标点，规划当前位置到新目标的航路，并合理地进行航路合并，实现了根据目标的变化，及时、有效地调整航路。
下面结合附图对本发明的航路的调整系统的具体实施方式作详细描述，图3示出了一个实施例的航路的调整系统的结构示意图；
一种航路的调整系统，包括：坐标获取模块10、距离获取模块20、航路形成模块30，以及航路合并模块40；
坐标获取模块10，用于获取新目标的位置坐标；
距离获取模块20，用于根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离；
航路形成模块30，用于根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路；
航路合并模块40，用于根据原航路、第一航路以及转弯半径获取新航路。
在一个实施例中，对于坐标获取模块10，可以进一步用于采集目标方向上的图像；根据所述图像识别新目标；根据所述新目标在图像中的位置计算新目标的位置坐标。
在一个实施例中，对于坐标获取模块10，还可以用于判断新目标的覆盖范围是否与所述原航路有重合；若是，执行根据所述新目标在图像中的位置计算新目标的位置坐标的步骤。
在一个实施例中，对于航路形成模块30，可以进一步用于获取所述新目标的覆盖半径，根据所述覆盖半径、第一距离，以及预设的调整参数获取新目标到原航路的第二距离，根据所述第二距离以及新目标的位置坐标在原航路上确定调整坐标。
在一个实施例中，对于航路合并模块40，可以进一步用于根据航行参数获取弧线航路，获取该弧线航路分别与原航路和第一航路相切的转弯起始点坐标和转弯终止点坐标；根据所述当前位置坐标、转弯起始点坐标、转弯终止点坐标以及新目标的位置坐标，将当前位置坐标与转弯起始点坐标之间的原航路部分，转弯起始点坐标和转弯终止点坐标之间的弧线航路部分，以及转弯终止点坐标与新目标的位置坐标之间的第一航路部分进行合并，得到新航路。
上述航路的调整系统，根据巡航过程中识别到的新目标，选取恰当的位置作为航路调整计算的坐标点，规划当前位置到新目标的航路，并合理地进行航路合并，实现了根据目标的变化，及时、有效地调整航路。
为了更加清晰本发明技术方案的效果，下面结合一个在无人机系统中使用本发明的应用实例来进一步阐述。参考图4，图4为一个应用实例中的无人机系统的结构示意图；
本应用实例中的无人机系统，包括：无人机本体400、航拍装置500以及安装在无人机本体内部的飞行控制器401；所述航拍装置包括目标识别模块503，所述目标识别模块503与飞行控制器401电性连接，用于对采集到的图像信息中的新目标进行识别；所述飞行控制器401执行上述任意一种航路的调整方法。
其中，无人机系统的航拍装置500还可以包括：图像采集模块501、图像预处理模块502以及无线传输模块504；
图像采集模块501与图像预处理模块502连接，图像采集模块可以由多个摄像头模组组成，能够通过拍摄图片或录制视频的方式获取周围各个方向上的环境信息，并将采集到的图像或视频信息发送至图像处理模块502；
图像预处理模块502将所述图像采集模块获取的图像数据进行分析和处理，包括去噪、图像增强、压缩、编码与加密等，以便更加清晰地在图像或视频中显示目标，并将处理后的图像数据传送给目标识别模块503；
无线传输模块504可将图像采集模块501采集到的图像或视频数据通过wifi、蓝牙、3G或4G无线传输技术发送至显示终端600进行显示；其中，接收无人机采集图像或视频的显示终端600可以是平板电脑、笔记本电脑等移动显示设备，在显示终端上，可以观察到目标是否发生改变或周围环境是否出现异常，显示终端600可以对无人机发出控制指令，控制无人机是否要继续巡航。
在任务执行之前，输入预设的目标位置、环境参数等信息，采用普通算法预先为无人机生成一条航路，无人机沿预设的航路向设定的原目标飞行，同时探测周围环境信息并接收指挥中心的情报。
一旦有新的目标出现，如果新的目标覆盖了计划的飞行航路，立即更新目标表，启动航路调整。将航路前面一定距离的节点作为新的起始点，利用优化算法为无人机生成新的航路，然后无人机沿新的航路飞行，一直到无人机达到新的目标点。
参考图5，图5是一个应用实例在无人机系统中使用航路的调整方法的流程图，包括以下步骤：
步骤s1：无人机沿预定的原航路飞行；
具体地，在任务执行之前，输入预设的目标位置、环境参数等信息，为无人机预先生成一条航路。
步骤s2：识别新目标；
具体地，可以通过图像采集模块对四周各个方向进行图像或视频的采集，图像采集模块可以包括一个或多个摄像头模组，在采集到的图像上通过图像识别模块对新目标进行识别。
步骤s3：判断新目标的覆盖范围是否与原航路有重合；若是，转步骤s4，否则，返回步骤s1；
具体地，在识别到新目标后，判断新目标的覆盖范围与当前航行的原航路是否有重合，若有重合，则将新目标更新至目标列表，取代原设定的目标，根据新目标在图像中的位置信息，计算新目标的位置坐标。否则，则认为该目标为不可追踪目标，继续沿着当前设定的航路飞往原设定目标。
步骤s4：确定调整坐标，初始化算法参数；
根据新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离，根据第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，将调整坐标和新目标的位置坐标分别作为计算的起点Xstart和终点Xgoal。
具体地，获取新目标的覆盖半径，根据所述覆盖半径、第一距离，以及预设的调整参数获取新目标到原航路的第二距离，根据第二距离以及新目标的位置坐标在原航路上确定调整坐标；其中第二距离满足公式：d＝k(L-R)；d表示所述第二距离，L表示当前位置到新目标的第一距离，R表示新目标的覆盖半径，k表示预设的调节参数。
步骤s5：在调整坐标和新目标的位置坐标之间规划第一航路；可以采用基于快速随机搜索树的优化算法进行航路动态的规划。
步骤s6：合并原航路和第一航路；
具体地，可以根据无人机的转弯半径获取弧线航路，获取该弧线航路分别与原航路和第一航路相切的转弯起始点坐标和转弯终止点坐标；根据所述当前位置坐标、转弯起始点坐标、转弯终止点坐标以及新目标的位置坐标，将当前位置坐标与转弯起始点坐标之间的原航路部分，转弯起始点坐标和转弯终止点坐标之间的弧线航路部分，以及转弯终止点坐标与新目标的位置坐标之间的第一航路部分进行合并，得到新航路。
新航路生成后，无人机调整至沿着新航路向着新目标飞行，在航行过程中若再次遇到其他目标，重复上述步骤s1至s6的无人机航路的调整过程。
上述无人机系统，通过目标识别模块与飞行控制器的协同作用，在无人机自动巡航过程中及时准确地发现新目标，并根据新目标调整飞行航路，提高了无人机的巡航的灵活性和准确性。
本发明在一个实施例中还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，上述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中任意一种航路的调整方法。
本发明在一个实施例中还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例中任意一种航路的调整方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性的计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，该程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被该计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述航路的调整方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种航路的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取新目标的位置坐标；
根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离；
根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据所述调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路；
根据原航路、第一航路以及航行参数获取新航路；
所述根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，包括：
获取所述新目标的覆盖半径，根据所述覆盖半径、第一距离，以及预设的调整参数获取新目标到原航路的第二距离，根据所述第二距离以及新目标的位置坐标在原航路上确定调整坐标；所述第二距离为所述第一距离与所述新目标的覆盖半径之间的差值与所述预设的调节参数的乘积。
2.根据权利要求1所述的航路的调整方法，其特征在于，所述航行参数包括无人机的转弯半径。
3.根据权利要求1所述的航路的调整方法，其特征在于，所述根据原航路、第一航路以及航行参数获取新航路的步骤包括：
根据航行参数获取弧线航路，获取该弧线航路分别与原航路和第一航路相切的转弯起始点坐标和转弯终止点坐标；
根据所述当前位置坐标、转弯起始点坐标、转弯终止点坐标以及新目标的位置坐标，将当前位置坐标与转弯起始点坐标之间的原航路部分，转弯起始点坐标和转弯终止点坐标之间的弧线航路部分，以及转弯终止点坐标与新目标的位置坐标之间的第一航路部分进行合并，得到新航路。
4.根据权利要求1所述的航路的调整方法，其特征在于，所述第一距离与所述覆盖半径之间的差值距离不小于设定的最小水平前进距离。
5.根据权利要求1所述的航路的调整方法，其特征在于，所述获取新目标的位置坐标的步骤包括：
采集目标方向上的图像；
根据所述图像识别新目标；
根据所述新目标在图像中的位置计算所述新目标的位置坐标。
6.根据权利要求5所述的航路的调整方法，其特征在于，在所述根据所述图像识别新目标的步骤之后还包括步骤：
判断所述新目标的覆盖范围是否与所述原航路有重合；
若是，执行根据所述新目标在图像中的位置计算所述新目标的位置坐标的步骤。
7.一种航路的调整系统，其特征在于，包括：
坐标获取模块，用于获取新目标的位置坐标；
距离获取模块，用于根据所述新目标的位置坐标以及当前位置坐标获取当前位置至新目标的第一距离；
航路形成模块，用于根据所述第一距离在原航路上确定航路调整的调整坐标，并根据调整坐标与新目标的位置坐标形成第一航路；
航路合并模块，用于根据原航路、第一航路以及转弯半径获取新航路；
所述航路形成模块，还用于获取所述新目标的覆盖半径，根据所述覆盖半径、第一距离，以及预设的调整参数获取新目标到原航路的第二距离，根据所述第二距离以及新目标的位置坐标在原航路上确定调整坐标；所述第二距离为所述第一距离与所述新目标的覆盖半径之间的差值与所述预设的调节参数的乘积。
8.一种无人机系统，其特征在于，包括：无人机本体、航拍装置以及安装在无人机本体内部的飞行控制器；
所述航拍装置包括目标识别模块，所述目标识别模块与飞行控制器电性连接，用于对采集到的图像信息中的新目标进行识别；所述飞行控制器执行权利要求1-6的任意一种航路的调整方法。
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