CN107943099A - 一种无人机地形高度跟随控制方法及系统 - Google Patents

一种无人机地形高度跟随控制方法及系统 Download PDF

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柳胡南
邓盛川
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    • 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

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Abstract

一种无人机地形高度跟随控制方法及系统,其特征在于以下步骤,先后为地形数据装载,地形跟随预处理,航线自动规划,依据所述地形跟随预处理得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，基于无人机地面监控站自动生成该条线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务,通过本方案,无人机在远距离超低空自主飞行时，在地形的起伏复杂时，飞行器通过地形高度预处理，自主匹配对低高度飞行，可以避免由于飞行过低而撞山或建筑物等，保证飞行安全。

Description

一种无人机地形高度跟随控制方法及系统
技术领域
本发明涉及无人机应用领域，特别是一种无人机的地形高度跟随控制领域。
背景技术
现今无人机在高度保持的控制方法上，主要依赖GPS、气压传感器等。无人机利用传感器测得的飞行高度，通过主控芯片处理，并经由多级PID反馈控制器传递，最终实现无人机的高度保持。但是单纯依赖传感器的定高策略不能够测得无人机与地面间的相对距离，以至无法实现地形的跟随保持。如下表所示传统的无人机定高策略，存在使用条件限制、成本要求高、技术难度大等问题。
传统的基于定高飞行控制系统，在远距离超低空自主飞行时，由于地形的起伏，飞行器无法自主匹配对低高度飞行，引起由于飞行过低而撞山或建筑物等，飞行安全无法保证。
其次，针对某些特殊场景，如地理测绘、石油管道巡线等，检测设备测量结果的有效性对高度要求严格，必须保证对地高度在一定范围内，而传统无人机定高飞行控制无法针对地形进行高度跟随，从而无法满足需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机地形高度跟随控制方法及系统能够特殊场景下无人机的飞行安全，本发明的技术方案是这样实现的：
一种无人机地形高度跟随控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、地形数据装载：用于获取在任意地理位置下对应的地理地形海拔高度，获取方式包括基于SRTM地形产品数据、基于人为激光雷达飞行实测数据；
步骤二、地形跟随预处理：
第1步、移动平均滤波：在地形跟随预处理系统中将已知路线地形数据导入，设定高度采集点距离，再根据整条路线所有采集位置点从地理地形数据数据库中得到对应点海拔高度，并移动平均滤波，滤波器模型如下：
yy＝smooth(y,span,method)
其中yy为移动平均滤波结果；y为滤波前原始数据；span为滤波器窗宽；method为指定滤波平滑方法；
地形跟随预处理中，地形高度移动平均滤波后结果filter_result通过所述滤波模型进行计算获得,模型参数通过试验和仿真测试结果设定最佳值。
第2步、计算所有极值点
对地形高度移动平均滤波后结果(filter_result)求二阶导求二阶导数，在利用Matlab 的find方法计算数据的极值点，如下极值点计算式：
x_min＝find(diff(sign(diff(filter_result)))＞0)+1
x_max＝find(diff(sign(diff(filter_result)))＜0)+1
其中find为MATLAB中找到矩阵或者是数组，向量中的非零元素；diff为MATLAB中计算一阶导数；x_min为该极低点即波谷对应的位置点；x_max为该极高点即波峰对应的位置点；
第3步、人为高通滤波
对所述步骤三中得到的极值数据做二次滤波，设定极值高度差即高通临界值，处理所有获取的极值点，判断相邻极值点的高度差，在连续的极值点高度差均小于设定值时，取循环处理的首个判断点和满足此条件的最后一个判断点，过滤中间大量的参考点，减少跟随目标点数，在处理过程中，所有最初输出的路线参考点均作为有效点归入目标跟随点；
第4步、插值处理
由于无人机飞行上升速率(固定翼为爬升速率)的限制，判断所有处理后的相邻目标点，如相邻目标点高度变化率小于无人机飞行上升速率，则执行第5步；如相邻目标点高度变化率大于无人机飞行上升速率，则基于判断点进行插值处理。计算插值点距离判断点的水平距离S，插值点高度设置为插入点水平位置处前后相邻两个目标点跟随高度的平均值，完成所有相邻目标点判断并插值后得到完整的地形高度跟随目标点；
如判断插值后所有相邻目标点高度变化率均小于无人机飞行上升速率，则执行第5步；
第5步、跟随高度效果评估
通过估测目标高度和实际的地形海拔高度做差得出整条路线的对地飞行高度，判断对地高度误差范围；
步骤三、航线自动规划：依据所述地形跟随预处理得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，基于无人机地面监控站自动生成该条线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。优选的，第4步中所述插值点距离判断点的水平距离S的计算方法为：
其中S为插值点距离判断点的水平距离；
H为相邻两目标点两点高度差；
Vv为上升速率为，Vh为水平速率。
优选的，无人机地形高度跟随系统的特征是采用了所述无人机地形高度跟随控制方法。
本发明的有益效果为：利用本发明设计方案的一种无人机地形高度跟随控制方法及系统，在远距离超低空自主飞行时，在地形的起伏复杂时，飞行器通过地形高度预处理，自主匹配对低高度飞行，可以避免由于飞行过低而撞山或建筑物等，保证飞行安全。
附图说明
图1是新疆某石油管道地形海拔高度变化曲线
图2是新疆180公里地形高度跟随处理结果
实施例
如图1的实验试验场地为新疆某石油管线，采用本发明的技术方案。
如图1新疆某石油管道地形海拔高度变化，地形海拔高度范围：920m-1060m。
如图2为采用发明的技术方案的地形高度跟随处理结果，对地高度误差范围：-33m到+48m。
结果分析对比如下：
因此，通过两种方案对比发现：本方案的对地高度误差范围小，在远距离超低空自主飞行时，在地形的起伏复杂时，飞行器通过地形高度预处理，自主匹配对低高度飞行，可以避免由于飞行过低而撞山或建筑物等，保证飞行安全。

Claims (3)

1.一种无人机地形高度跟随控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、地形数据装载：用于获取在任意地理位置下对应的地理地形海拔高度，获取方式包括基于SRTM地形产品数据、基于人为激光雷达飞行实测数据；
步骤二、地形跟随预处理：
第1步、移动平均滤波：在地形跟随预处理系统中将已知路线地形数据导入，设定高度采集点距离，再根据整条路线所有采集位置点从地理地形数据数据库中得到对应点海拔高度，并移动平均滤波，滤波器模型如下：
yy＝smooth(y,span,method)
其中yy为移动平均滤波结果；y为滤波前原始数据；span为滤波器窗宽；method为指定滤波平滑方法；
地形跟随预处理中，地形高度移动平均滤波后结果filter_result通过所述滤波模型进行计算获得,模型参数通过试验和仿真测试结果设定最佳值；
第2步、计算所有极值点
对所述地形高度移动平均滤波后结果filter_result求二阶导数，在利用Matlab的find方法计算数据的极值点，如下极值点计算式：
x_min＝find(diff(sign(diff(filter_result)))＞0)+1
x_max＝find(diff(sign(diff(filter_result)))＜0)+1
其中find为MATLAB中找到矩阵或者是数组，向量中的非零元素；diff为MATLAB中计算一阶导数；x_min为该极低点即波谷对应的位置点；x_max为该极高点即波峰对应的位置点；
第3步、人为高通滤波
对步骤三中得到的所述极值点数据做二次滤波，设定极值高度差，处理所有获取的所述极值点，判断相邻极值点的高度差，在连续的所述极值点高度差均小于设定值时，取循环处理的首个判断点和满足此条件的最后一个判断点，过滤中间大量的参考点，减少跟随目标点数，在处理过程中，所有最初输出的路线参考点均作为有效点归入目标跟随点；
第4步、插值处理
判断所有处理后的相邻目标点高度差，如相邻目标点高度变化率小于无人机飞行上升速率，则执行第5步；如相邻目标点高度变化率大于无人机飞行上升速率，则基于判断点进行插值处理，计算插值点距离判断点的水平距离S，插值点高度设置为插入点水平位置处前后相邻两个目标点跟随高度的平均值，完成所有相邻目标点判断并插值后得到完整的地形高度跟随目标点；
如判断插值后所有相邻目标点高度变化率均小于无人机飞行上升速率，则执行第5步；
第5步、跟随高度效果评估
通过估测目标高度和实际的地形海拔高度做差得出整条路线的对地飞行高度，判断对地高度误差范围；
步骤三、航线自动规划：依据所述地形跟随预处理得到的所有目标跟随点，对应到地图的相应位置上，基于无人机地面监控站自动生成该条线路的高度跟随航线规划，生成结束后，装订到无人机飞行任务队列，无人机基于GPS+气压机做出不同高度下的飞行任务。
2.如权利要求1中所述的一种无人机地形高度跟随控制方法，其特征在于：第4步中所述插值点距离判断点的水平距离S的计算方法为：
<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>H</mi> <msub> <mi>V</mi> <mi>v</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>h</mi> </msub> </mrow>
其中S为插值点距离判断点的水平距离；
H为相邻两目标点两点高度差；
Vv为上升速率为，Vh为水平速率。
3.一种无人机地形高度跟随系统，其特征在于：所述的无人机地形高度跟随系统还包括权利要求1或2中所述的一种无人机地形高度跟随控制方法。
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