CN107463184A - 一种基于垂直移动的无人集群避障策略 - Google Patents

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李艾静
王海
董超
牛大伟
于卫波
郭晓
米志超
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • G05D1/104—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft involving a plurality of aircrafts, e.g. formation flying

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Abstract

本发明提出一种基于垂直移动的无人集群避障策略，无人机在飞行过程中周期性广播自己的位置信息；如果无人机A的位置发生变化，而无人机C的位置未发生变化，则根据无人机A的前后位置以及无人机C的位置确定三个位置点所在的平面，无人机C的避障运动方向为垂直于所述平面的方向；无人机C既可以沿垂直于所述平面的方向降低飞行高度，也可以提升飞行高度。本发明可以有效预防因通信中断或指令丢失等原因造成的无人机之间的互相碰撞，提高了集群的飞行安全性。

Description

一种基于垂直移动的无人集群避障策略
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于垂直移动的无人集群避障策略。
背景技术
在无人系统集群中，为了遂行特定任务，众多无人机在空中按照接收到的指令移动。在飞行过程中，可能会由于数据冲突或其他原因导致某些无人设备没有接收到指令而停留在空中，此时很容易与其他正在飞行的无人设备发生碰撞，这种碰撞靠预先的航线规划是无法避免的，因此需要设计一种实时有效的避障策略，避免无人设备在指令丢失时与其他节点发生碰撞。
深圳市格兰之特科技有限公司提出的《一种自动规避障碍物的飞行装置与方法》(专利申请号为201110031250.8)设计了一种通过超声波测距传感器对障碍物进行定位检测的方法，该方法基于超声波检测，探测距离有限，存在盲区，而且需要在无人机上加装超声设备。
山东电力研究院提出的《电力巡线无人直升机超低空飞行障碍规避子系统》(专利申请号为201120124969.1)运用测距传感器、视觉传感器和电磁场检测传感器相结合的方法进行电力巡线，提升巡线作业的可靠性。该方法需要有专业高分辨率影像设备，不仅增加了无人机的负载，且对无人机的控制和续航时间等有不利的影响。
北京艾森博航空科技股份有限公司提出的《应用于无人机植保的自动避障方法及系统》(专利申请号为201710035812.3)利用预先航线规划确保无人机安全飞行。此方法要求预先知晓飞行地块内及附近的障碍情况，并在飞行前预先规划，但是对于飞行过程中指令丢失后的情况的处理并未涉及。
上述技术主要是基于预先航线规划，或者需要在无人机上加装其它探测装置，对于无人系统的碰撞避免策略涉及主要是针对环境中的障碍进行规避，而针对飞行过程中的无人机之间的碰撞如何避免并未涉及。
发明内容
本发明提出一种基于垂直移动的无人集群避障策略。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于垂直移动的无人集群避障策略，无人机在飞行过程中周期性广播自己的位置信息；如果无人机A的位置发生变化，而无人机C的位置未发生变化，则根据无人机A的前后位置以及无人机C的位置确定三个位置点所在的平面，无人机C的避障运动方向为垂直于所述平面的方向。
进一步，无人机C的避险运动方向根据下式计算获得：
其中，无人机A的位置坐标由(x1,y1,z1)变为(x2,y2,z2)，无人机C的位置一直处于(x0,y0,z0)。
进一步，无人机C沿垂直于所述平面的方向降低飞行高度。无人机C既可以沿垂直于所述平面的方向降低飞行高度，也可以提升飞行高度，为了减小无人机跌落所造成的损失，可以选择降低飞行高度。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明可以有效预防因通信中断或指令丢失等原因造成的无人机之间的互相碰撞，提高了集群的飞行安全性。
附图说明
图1是无人机设备空中飞行示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于垂直移动的无人集群避障策略的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
本发明适用于大规模无人集群在空中飞行过程中避免无人机之间的碰撞。在节点指令丢失的情况下，可以根据接收到的其他节点周期性广播的位置信息计算其他节点的运动方向，然后根据其他节点的运动方向选择垂直于其他节点运动方向平面做避障运动。
结合图1，无人机节点A接收到指令向要求方向飞行，而无人机C由于数据冲突等原因未能正确接收该指令，为了避免碰撞，无人机C根据接收到的无人机A的位置信息判断节点运动轨迹，计算避免碰撞的方向，然后按照计算出的方向进行运动。所有无人机在飞行过程中会周期性广播自己的位置信息，因此无人机会实时收到邻居无人机广播的位置，假设无人机C连续接收到无人机A的两个位置通告，分别位于位置A1(x1,y1,z1)和位置A2(x2,y2,z2)，无人机C的位置一直处于C(x0,y0,z0)。无人机C可以根据接收到的A的位置得知无人机A的运动向量：
无人机A的两个位置和无人机C的位置确定一个平面，无人机C的避障运动方向为垂直于此平面的方向。无人机C的运动方向即为此平面的法向量方向：
具体操作步骤如下：
(1)无人机在飞行过程中周期性广播自己的位置信息；
(2)如果某无人机接收到邻居无人机的位置发生变化而自己未接收到移动指令消息时，根据接收到的邻居无人机位置信息，按照公式(1)计算自己的运动方向；
(3)按照计算出的运动方向进行运动。
实施例
本实施例提供了一种基于垂直移动的无人集群避障策略。假设无人机在飞行过程中周期性地广播自己的位置和高程信息，周期为1次/秒。以图1为例，无人机C在没有收到指令的情况下会在当前位置悬停，连续收到两个来自无人机A发出的位置信息，发现无人机A的位置发生了改变，可以认为发给自己的指令丢失，需要根据无人机A的位置来计算自己的运动方向以避免碰撞。
假设无人机节点飞行的高程为100米，则无人机A连续两个时刻发送的位置信息转换为直角坐标分别为A1(100,200,100)和A2(110,200,100)，无人机C的位置坐标为C(200,100,100)。无人机C可知无人机A的运动向量为：
根据前述公式(1)，可以计算出无人机C的运动向量为：
因此，无人机C朝着高度降低的方向运动。
本方案中无人集群避障策略同样适用于其他空中飞行器避障。

Claims (3)

1.一种基于垂直移动的无人集群避障策略，其特征在于，无人机在飞行过程中周期性广播自己的位置信息；如果无人机A的位置发生变化，而无人机C的位置未发生变化，则根据无人机A的前后位置以及无人机C的位置确定三个位置点所在的平面，无人机C的避障运动方向为垂直于所述平面的方向。
2.如权利要求1所述基于垂直移动的无人集群避障策略，其特征在于，无人机C的避险运动方向根据下式计算获得：
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其中，无人机A的位置坐标由(x1,y1,z1)变为(x2,y2,z2)，无人机C的位置一直处于(x0,y0,z0)。
3.如权利要求1所述基于垂直移动的无人集群避障策略，其特征在于，无人机C沿垂直于所述平面的方向降低飞行高度。
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