CN107588760B - 适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，属于道路检测领域。本发明包括如下步骤：步骤1：采集目标道路导航位置数据；步骤2：滤除步骤1采集到的原始位置信息中的奇异点；步骤3：等间隔提取位置信息数据点；步骤4：计算道路坡度与数据点航向角；步骤5：提取有效航迹点；步骤6：根据固定翼无人机搭载的自驾仪类型编辑并输出对应格式的航迹点文件，即完成固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成。本发明要解决的技术问题是：不借助机载测高设备，提供一种能精确跟踪道路的定高高精度航迹的航迹点生成方法，具有成本低、操作简单、航迹点精度高、可精确定高跟踪地形等优点。

Description

适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法

技术领域

本发明涉及一种适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法,属于道路检测领域。

背景技术

随着我国高速公路事业的蓬勃发展，道路运营里程飞速增长，人们对于获取道路信息的需求日益增加。以固定翼无人机为平台的空基路面信息采集系统相比传统车载路面信息采集系统成本低、采样范围大、效率高、使用方便且不影响交通，从而有较好的应用前景。

在道路检测领域，需要固定翼无人机搭载一些高精度设备来对道路等特定的线状目标进行长距离检测；在检测过程中，需要固定翼无人机精确定高跟踪这些目标；为跟踪这些目标，需要固定翼无人机载入能够精确跟踪道路走向且能够表达道路坡度起伏的航迹点。近年来，固定翼无人机航摄已经应用在了包括地图测绘、电力巡线和灾害应急在内的多个领域。传统的固定翼无人机通过在电子地图上描点生成航迹的方法无法满足上述要求；而搭载机载测高设备会占用大量的飞机载荷且成本高昂。

发明内容

本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法要解决的技术问题是：不借助机载测高设备，提供一种能精确跟踪道路的定高高精度航迹的航迹点生成方法，具有成本低、操作简单、航迹点精度高、可精确定高跟踪地形等优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，包括如下步骤：

步骤1：采集目标道路导航位置数据。

所述步骤1优选如下具体方法实现：

为采集目标道路的导航位置数据，需要采用的测量设备包括机动车、导航位置测量设备、数据传模块发射端、数据传模块接收端和数据记录计算机。

机动车搭载导航位置测量设备通过目标道路，并测量道路的位置数据；数据传输模块发射端发送导航位置测量设备实时测量道路的位置信息；数据传输模块接收端接收数据传输模块发射端发送的道路位置信息；数据记录计算机与数据传输模块接收端相连，并记录数据传输模块接收端接收的数据，储存在文件A中。

所述的导航位置数据优选北斗位置数据或GPS位置数据。

步骤1采用导航位置测量设备直接测量被测道路的位置信息，测量的信息相比于地图上描点获取位置信息精度高。

步骤2：滤除步骤1采集到的原始位置信息中的奇异点。

在采用导航位置测量设备采集位置信息的时候，采用导航位置测量设备采集到的位置信息点会不可避免的出现经度、纬度以及海拔高度均为0的数据点，或者是相邻的两个数据点数值相差较大。在数据处理过程中将上述两种情况下采集到的数据点视为数据奇异点。

在数据处理过程中首先载入文件A，提取位置信息，分析并滤除奇异点。并将处理完的数据储存在文件B中。

采用滤除采集到的原始位置信息中的奇异点的方法，相比传统滤波方法处理过程简单，计算量小，数据处理速度较快且不影响相邻数据点的位置信息。

步骤3：等间隔提取位置信息数据点。

读入步骤2生成文件B，提取文件B中的位置信息数据点。设定等间隔距离为d，两个位置点的经纬坐标分别为n₁(α₁,β₁)，n₂(α₂,β₂)，两点之间的计算距离为D，地球的半径为R，α为经度，β为纬度，利用经纬度计算点之前的距离公式如下：

利用上述公式进行等间隔取点，并将记录的等间隔点储存在文件C中。

采用等间隔处理数据，滤除间距过小的数据点，能够极大地减小原始数据的数据量，并提高随后处理步骤的计算速度。

步骤4：计算道路坡度与数据点航向角。

读入步骤3储存的文件C，提取位置信息中的海拔高度信息。依次把每个数据点相邻的k个数据点分为一组，并利用上述的数据点拟合直线，以拟合的直线斜率来表示道路坡度变化，以

表达道路的坡度。

读入步骤3储存的文件C，提取位置信息。依次利用经纬度计算相邻两点计算航向角。航向角计算公式如下：

A＝atan2{[sin(α₂-α₁)cos(β₂)],[cos(β₁)sin(β₂)-sin(β₁)cos(β₂)cos(α₂-α₁)]}

式中，A为航向角。

将拟合的道路坡度与求得的航向角与信息点对应，并储存在文件D中。

所述的利用上述的数据点拟合直线优选最小二乘法拟合。

步骤5：提取有效航迹点。

读入步骤4储存的文件D，提取位置点信息。根据航向角A变化以及道路坡度的变化来提取有效航迹点。选择依据为当航向角累计变化超过阈值ΔA或道路坡度累计变化超过阈值Δb时就将该点定位航迹点。

当第n个点与第n+1个点进行比较，若航向角之差大于ΔA或道路坡度变化大于Δb，则将第n+1个点定为航迹点；若第n个点与第n+1个点的航向角之差小于ΔA以及道路坡度变化小于Δb，则将第n个点与第n+2个点进行比较；若第n个点与第n+2个点的航向角之差小于ΔA以及道路坡度变化小于Δb，则将第n个点与第n+3个点进行比较…直至第n个点与第n+m个点的航向角之差大于ΔA或道路坡度变化大于Δb，则将第n+m个点定为航迹点；将第n+m个点与第n+m+1个点进行比较，直至处理完所有的点。

将上述提取的航迹点储存在文件E中。

步骤6：根据固定翼无人机搭载的自驾仪类型编辑并输出对应格式的航迹点文件，即完成固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成。

根据固定翼无人机执行任务的要求输入相应的定高飞行高度，飞行速度、转弯半径等飞行数据，然后在每一个信息点的海拔高度上加飞行高度值生成固定翼无人机实际飞行海拔高度。

对照固定翼无人机搭载的自驾仪类型选择不同的航迹文件格式，输出包含经度、纬度、飞行海拔高度、地面海拔高度、飞行速度等信息的航迹文件，即完成固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成。

有益效果：

1、本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，采用导航位置测量设备直接测量被测道路的位置信息，测量的信息相比于地图上描点获取位置信息精度高。

2、本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，采用滤除采集到的原始位置信息中的奇异点的方法，相比传统滤波方法处理过程简单，计算量小，数据处理速度较快且不影响相邻数据点的位置信息。

3、本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，采用等间隔处理数据，滤除间距过小的数据点，能够极大地减小原始数据的数据量，并提高随后处理步骤的计算速度。

4、本发明公开的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，在不增加机载测高设备的条件下，仅利用采集的海拔高度信息拟合直线，以直线的斜率表达被测道路的坡度，利用道路坡度的累计变化来提取有效航迹点，并实现精确定高跟踪地形；利用经纬度信息计算的航向角，以航向角的累积变化来提取有效航迹点并实现精确跟踪道路。

附图说明

图1为数据处理流程图；

图2为硬件连接示意图；

图3为原始位置信息与航迹点对照图；

图4为原始高度信息与航迹点对照图；

图5为载入自驾仪地图的航迹文件；

图6为载入自驾仪后的局部放大图；

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

为验证本发明公开的一种用于固定翼无人机的高精度跟踪道路的定高航迹生成方法的可行性与有益效果，下面在实例中将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，数据处理流程图如图1所示。

本实例公开一种用于固定翼无人机精确跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，包括以下步骤：

步骤1：采集目标道路GPS位置数据

为采集目标道路的GPS位置数据，需要采用的测量设备包括：机动车、GPS模块、数传模块发射端、数传模块接收端和数据记录计算机。硬件连接如图2所示。

步骤1的实现方法如下：

步骤1.1：机动车搭载GPS模块通过目标道路，并测量道路的位置信息，通过数传模块发射端发送GPS实时测量的道路的位置信息；

步骤1.2：数传模块接收端接收步骤1.1中数传模块发射端发送的道路位置信息，数据记录计算机与数传模块接收端相连，记录数传模块接收端接收的数据，并储存在文件A中。

步骤2：处理步骤1生成的文件A中的原始位置信息，滤除原始位置信息中的奇异点。

在GPS模块采集位置信息的时候，GPS模块采集到的位置信息点会不可避免的出现经度、纬度以及海拔高度均为0的数据点，或者是相邻的两个数据点数值相差较大。在数据处理过程中将上述两种情况下采集到的数据点视为数据奇异点。

步骤2的实现方法如下：

在数据处理过程中首先载入文件A，提取位置信息。从位置信息点的第一个点开始进行相邻点的数据对比，若相邻点的经度或纬度相差超过1°，就将排序比较靠后的点视为奇异点并将其滤除，依次执行此操作直至处理完所有的数据点。并将处理完的数据储存在文件B中。

步骤3：利用位置信息中的经纬度计算点之间的距离，进行等间隔提取位置数据点，避免出现由于采集过程中车速变化导致的位置点分布不均匀的情况。

步骤3的实现方法如下：

步骤3.1：读入步骤2生成的文件B，提取文件中的位置信息。设定等间隔距离为d，假设两个位置点的经纬坐标分别为n₁(α₁,β₁)，n₂(α₂,β₂)，两点之间的计算距离为D，地球的半径为R，α为经度，β为纬度，利用经纬度计算点之前的距离公式如下：

步骤3.2：若d≤D，则记录n₂点，然后计算n₂点与n₂₊₁点之前的距离；

步骤3.3：若d＞D，则计算n₁点与n₂₊₁点之间的距离；

步骤3.4：重复步骤3.1，步骤3.2，步骤3.3

步骤3.5：将记录的等间隔点储存在文件C中。

步骤4：计算道路坡度与数据点航向角

步骤4的实现方法如下

步骤4.1：读入步骤3储存的文件C，提取位置信息。依次把每个数据点相邻的k个数据点分为一组，利用最小二乘法拟合直线，以拟合的直线斜率来表示道路的坡度。最小二乘法计算道路坡度公式如下：

式中为道路的坡度。

步骤4.2：读入步骤3储存的文件C，提取位置信息。依次利用经纬度计算相邻两点计算航向角。航向角计算公式如下：

A＝atan2{[sin(α₂-α₁)cos(β₂)],[cos(β₁)sin(β₂)-sin(β₁)cos(β₂)cos(α₂-α₁)]}

式中，A为航向角。

步骤4.3：将道路坡度与求得的航向角与信息点对应，并储存在文件D中。

步骤5：提取有效航迹点

步骤5的实现方法如下：

步骤5.1：读入步骤4储存的文件D，提取位置点信息。

步骤5.2：根据航向角变化率以及道路坡度的变化来提取有效航迹点。选择依据为当航向角累计变化超过阈值ΔA或道路坡度的变化累计变化超过阈值Δb时就将该点定位航迹点。

步骤5.3：例如，当第n个点与第n+1个点进行比较，若航向角之差大于ΔA或道路坡度的变化大于Δb，则将第n+1个点定为航迹点；

步骤5.4：若第n个点与第n+1个点的航向角之差小于ΔA以及道路坡度的变化小于Δb，则将第n个点与第n+2个点进行比较；若第n个点与第n+2个点的航向角之差小于ΔA以及道路坡度的变化小于Δb，则将第n个点与第n+2个点进行比较…直至第n个点与第n+m个点的航向角之差大于ΔA或道路坡度的变化大于Δb，则将第n+m个点定为航迹点；

步骤5.5：将第n+m个点与第n+m+1个点进行比较，并进行步骤5.3，步骤5.4的操作，直至处理完所有的点。

步骤5.6：将上述提取的航迹点储存在文件E中。图3为原始位置信息与航迹点对照图，图4为原始高度信息与航迹点对照图。

步骤6：输出对应格式的航迹点文件。

步骤6的实现方法如下：

步骤6.1：根据固定翼无人机执行任务的要求输入相应的定高飞行高度，飞行速度、转弯半径等飞行数据，然后在每一个信息点的海拔高度上加飞行高度值生成固定翼无人机实际飞行海拔高度。

步骤6.2：对照固定翼无人机搭载的自驾仪类型选择不同的航迹文件格式，例如txt格式、xml格式等。输出包含经度、纬度、飞行海拔高度、地面海拔高度、飞行速度等信息的航迹文件。图5为载入到自驾仪后的航迹，图6为载入到自驾仪后航迹局部放大图。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：采集目标道路导航位置数据；

步骤2：滤除步骤1采集到的原始位置信息中的奇异点；

步骤3：等间隔提取位置信息数据点；

步骤4：计算道路坡度与数据点航向角；

步骤5：提取有效航迹点；

步骤6：根据固定翼无人机搭载的自驾仪类型编辑并输出对应格式的航迹点文件，即完成固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成；

所述步骤3具体实现方法为，

读入步骤2生成文件B，提取文件B中的位置信息数据点；设定等间隔距离为d，两个位置点的经纬坐标分别为n₁(α₁,β₁)，n₂(α₂,β₂)，两点之间的计算距离为D，地球的半径为R，α为经度，β为纬度，利用经纬度计算点之前的距离公式如下：

利用上述公式进行等间隔取点：若d≤D，则记录n₂点，然后计算n₂点与n₂₊₁点之前的距离；若d＞D，则计算n₁点与n₂₊₁点之间的距离；多次重复此取点过程，得到多个等间隔点；再将记录的等间隔点储存在文件C中。

2.如权利要求1所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：所述步骤1具体实现方法为，

为采集目标道路的导航位置数据，需要采用的测量设备包括机动车、导航位置测量设备、数据传输模块发射端、数据传输模块接收端和数据记录计算机；

机动车搭载导航位置测量设备通过目标道路，并测量道路的位置数据；数据传输模块发射端发送导航位置测量设备实时测量道路的位置信息；数据传输模块接收端接收数据传输模块发射端发送的道路位置信息；数据记录计算机与数据传输模块接收端相连，并记录数据传输模块接收端接收的数据，储存在文件A中。

3.如权利要求1所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：步骤2具体实现方法为，

在采用导航位置测量设备采集位置信息的时候，采用导航位置测量设备采集到的位置信息点会不可避免的出现经度、纬度以及海拔高度均为0的数据点，或者是相邻的两个数据点数值相差较大；在数据处理过程中将上述两种情况下采集到的数据点视为数据奇异点；

在数据处理过程中首先载入文件A，提取位置信息，分析并滤除奇异点；并将处理完的数据储存在文件B中。

4.如权利要求1所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：所述步骤4具体实现方法为，

读入步骤3储存的文件C，提取位置信息中的海拔高度信息；依次把每个数据点相邻的k个数据点分为一组，并利用上述的数据点拟合直线，以拟合的直线斜率来表示道路坡度变化，以

表达道路的坡度；

读入步骤3储存的文件C，提取位置信息；依次利用经纬度计算相邻两点计算航向角；航向角计算公式如下：

A＝atan2{[sin(α₂-α₁)cos(β₂)],[cos(β₁)sin(β₂)-sin(β₁)cos(β₂)cos(α₂-α₁)]}

式中，A为航向角；

将拟合的道路坡度与求得的航向角与信息点对应，并储存在文件D中。

5.如权利要求1所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：所述步骤5具体实现方法为，

读入步骤4储存的文件D，提取位置点信息；根据航向角A变化以及道路坡度的变化来提取有效航迹点；选择依据为当航向角累计变化超过阈值ΔA或道路坡度累计变化超过阈值Δb时就将该点定位航迹点；

当第n个点与第n+1个点进行比较，若航向角之差大于ΔA或道路坡度变化大于Δb，则将第n+1个点定为航迹点；若第n个点与第n+1个点的航向角之差小于ΔA以及道路坡度变化小于Δb，则将第n个点与第n+2个点进行比较；若第n个点与第n+2个点的航向角之差小于ΔA以及道路坡度变化小于Δb，则将第n个点与第n+3个点进行比较…直至第n个点与第n+m个点的航向角之差大于ΔA或道路坡度变化大于Δb，则将第n+m个点定为航迹点；将第n+m个点与第n+m+1个点进行比较，直至处理完所有的点；

将上述提取的航迹点储存在文件E中。

6.如权利要求1所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：所述步骤6具体实现方法为，

根据固定翼无人机执行任务的要求输入相应的定高飞行高度，飞行速度、转弯半径等飞行数据，然后在每一个信息点的海拔高度上加飞行高度值生成固定翼无人机实际飞行海拔高度；

对照固定翼无人机搭载的自驾仪类型选择不同的航迹文件格式，输出包含经度、纬度、飞行海拔高度、地面海拔高度、飞行速度等信息的航迹文件，即完成固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成。

7.如权利要求2所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：步骤1所述的导航位置数据选北斗位置数据或GPS位置数据。

8.如权利要求4所述的适用于固定翼无人机跟踪道路的定高高精度航迹生成方法，其特征在于：步骤4所述的利用上述的数据点拟合直线选最小二乘法拟合。

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