CN108045567B - 一种多旋翼无人机及其低空隐匿飞行方法 - Google Patents

一种多旋翼无人机及其低空隐匿飞行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机，包括机身、均匀分布设置于所述机身周围的多个旋翼、设置于所述机身上的非接触式测距装置、以及设置于所述机身或多个所述旋翼上的外部图像采集装置；所述非接触式测距装置包括旋转测距头、轴向竖直设置的竖直旋转轴、以及监测所述竖直旋转轴旋转角度的转轴监测器，所述转轴监测器固定设置于所述机身上，所述竖直旋转轴的轴向一端连接所述机身，所述竖直旋转轴的轴向另一端连接所述旋转测距头。本发明还公开了基于上述一种多旋翼无人机的低空隐匿飞行方法，通过寻找隐匿背景结合改变飞行状态的方式，可以有效地躲避危险目标的视线追踪，使微型无人机在远距离的任务执行过程中能够进行自身的保护。

Description

一种多旋翼无人机及其低空隐匿飞行方法
技术领域
本发明涉及一种微型多旋翼无人机及其飞行智能控制系统技术领域，特别是一种微型多旋翼无人机及其飞行控制系统控制其进行低空隐匿飞行的方法。
背景技术
随着具有实时影像采集传输功能的遥控飞行器即无人机的不断发展，其体积能够做得越来越微型化，同时其飞行范围也不断增大，微型无人机一方面可以在更为狭窄和复杂的空间环境中飞行，另一方面其飞行作业具有更佳的隐秘性。但是，对于一些飞行范围较大的微型无人机，其执行任务的地点远离操作者或者操作基地，因而操作者或者操作基地无法直接为微型无人机提供保护，这一类微型无人机在远距离执行任务的过程中可能会受到监视，继而被捕获或被攻击，如果不能提供一种有效地保护微型无人机的方法，则远距离的任务执行将难以开展。
微型的多旋翼无人机通常飞行高度较低，与地面的距离通常在1米至5米之间，因此低空飞行的微型多旋翼无人机较容易受到空手或者是手持简单器具的人员的攻击或捕捉；此外由于微型多旋翼无人机的飞行速度有限，直接以远离威胁人员的方式飞行也有可能遭到追击或追捕。基于上述情况，申请人提出了一种先脱离威胁人员的视线，再远离威胁人员的飞行方法，并且基于上述方案具体地提供了一种多旋翼无人机及其低空隐匿飞行方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多旋翼无人机及其低空隐匿飞行方法，能够躲避水平方向上低速运动或静止的危险目标的视线追踪，使微型无人机在远距离的任务执行过程中能够进行自身的保护，从而避免受到捕捉或攻击。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多旋翼无人机，包括机身、均匀分布设置于所述机身周围的多个旋翼、设置于所述机身上的非接触式测距装置、以及设置于所述机身或多个所述旋翼上的外部图像采集装置；所述非接触式测距装置包括旋转测距头、轴向竖直设置的竖直旋转轴、以及监测所述竖直旋转轴旋转角度的转轴监测器，所述转轴监测器固定设置于所述机身上，所述竖直旋转轴的轴向一端连接所述机身，所述竖直旋转轴的轴向另一端连接所述旋转测距头。
作为上述技术方案的进一步优选，所述竖直旋转轴的上端连接所述机身的底面，所述竖直旋转轴的下端连接所述旋转测距头；且多个所述旋翼的下端高度均高于所述旋转测距头的高度。
作为上述技术方案的进一步优选，所述外部图像采集装置为旋转摄像头，且所述外部图像采集装置和所述旋转测距头为一体结构的测距摄像头。
作为上述技术方案的进一步优选，所述外部图像采集装置包括多个镜头固定的广角摄像头，且多个所述广角摄像头均匀分布设置于所述机身的侧面，或者多个所述广角摄像头一一对应设置于每个所述旋翼的外侧。
本发明还提供了基于上述一种多旋翼无人机的低空隐匿飞行方法，包括以下步骤：
S1：通过无人机上的所述外部图像采集装置采集的图像确定危险目标，所述旋转测距头朝向所述危险目标测量所述危险目标与无人机之间的无人机目标连线的长度；
S2：通过无人机上的所述外部图像采集装置采集的图像确定多个颜色与无人机外观颜色接近的隐匿背景，然后通过所述竖直旋转轴转动所述旋转测距头，使所述旋转测距头依次朝向多个所述隐匿背景，并测量每个所述隐匿背景与无人机之间的无人机背景连线的长度，所述转轴监测器监测所述竖直旋转轴获得所述旋转测距头由朝向所述危险目标旋转至朝向所述隐匿背景所转过的目标背景夹角的角度；
S3：根据所述无人机目标连线的长度、所述无人机背景连线的长度和所述目标背景夹角的角度计算获得所述危险目标和所述隐匿背景之间的目标背景连线的长度，按照所述目标背景连线的长度大于所述无人机目标连线的长度的要求，对多个所述隐匿背景进行筛选；
S4：在筛选后符合要求的所述隐匿背景中，选择所述外部图像采集装置采集的图像高度最高的所述隐匿背景作为最终选定的唯一的所述隐匿背景；
S5：在最终选定所述隐匿背景的基础上，根据所述无人机目标连线的长度、所述无人机背景连线的长度和所述目标背景夹角的角度计算获得所述目标背景连线与所述无人机目标连线之间的无人机背景夹角的角度；
S6：无人机沿着以所述危险目标和无人机之间的距离为半径、以所述危险目标为圆心的圆弧轨迹或者所述圆弧轨迹对应的弦飞行，所述圆弧轨迹的弧度等于所述无人机背景夹角的角度；
S7：无人机飞行至所述隐匿背景、无人机和所述危险目标三点共线的转向抬升起始位置，然后向上进行抬升飞行至目标视野外位置，所述目标视野外位置为所述危险目标的视野范围上方，且所述目标视野外位置的高度高于所述危险目标的高度；
S8：无人机飞至所述目标视野外位置后，朝向所述危险目标的正上方飞行直至飞行至所述危险目标的后方，然后无人机继续飞行以远离所述危险目标。
作为上述技术方案的进一步优化，在步骤S7中，所述目标视野外位置与所述危险目标之间的连线为抬升终点连线，所述转向抬升起始位置与所述危险目标之间的连线为抬升起点连线，所述抬升终点连线和所述抬升起点连线之间的夹角大于25°。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种多旋翼无人机及其低空隐匿飞行方法，通过寻找隐匿背景结合改变飞行状态的方式，可以有效地躲避危险目标的视线追踪；且在麻痹飞行阶段限定为沿水平弧形轨迹或水平弧形轨迹对应的弦飞行，一方面给抬升或俯冲预留了飞行空间，另一方面可以避免无人机坠地；本发明尤其适用于无人机在低空飞行时躲避水平方向上低速运动或静止的危险目标的视线追踪，使微型无人机在远距离的任务执行过程中能够进行自身的保护，从而避免受到捕捉或攻击。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是具体实施例中采用旋转摄像头的一种多旋翼无人机的结构示意图；
图2是具体实施例中广角摄像头均匀分布设置于机身侧面的一种多旋翼无人机的结构示意图；
图3是具体实施例中广角摄像头均匀分布设置于旋翼外侧的一种多旋翼无人机的结构示意图；
图4是本发明所述的一种多旋翼无人机低空隐匿飞行方法的示意图。
具体实施方式
本发明所述危险目标主要是指对无人机具有捕捉和攻击企图的人，且本发明所述危险目标仅仅只是指日常生活中并不具有针对无人机进行远程捕捉或攻击的工具、也不具有针对无人机进行定位跟踪辅助工具的非专业人员；本发明所述低空主要是指所述危险目标即对无人机具有捕捉和攻击企图的人能够对无人机实施其企图的高度；由于所述危险目标为非专业人员，其能够实施其企图的高度基本与其自身高度相当，即无人机的飞行高度基本与所述危险目标处于同一水平面。
在上述情况下，无人机在发现所述危险目标后可以采用以下飞行方法，以躲避所述危险目标的视线追踪，从而使所述危险目标的企图无法实施：
S10、水平弧形麻痹飞行阶段
S11、确定所述危险目标的位置：
由于无人机为人工遥控操作的，远程遥控人员可以人为地判断可能的威胁即确定所述危险目标，然后下达命令给无人机，因此所述危险目标的位置是给定的。
S12、确定可以干扰所述危险目标视线的隐匿背景位置：
通过设置在无人机四周的摄像头或者是设置在无人机上的可旋转的摄像头，对无人机水平方向各个角度上的图像进行快速地采集分析；根据无人机的自身外部颜色，分析获得所述隐匿背景。
具体地，例如无人机外部颜色为白色，则从无人机水平方向各个角度上的图像中选出最接近白色的浅色物体作为所述隐匿背景；如无人机外部颜色为黑色，则从无人机水平方向各个角度上的图像中选出颜色最深的物体作为所述隐匿背景。
当无人机和所述隐匿背景在所述危险目标的视线中重叠时，所述隐匿背景可以有效地干扰所述危险目标对无人机的追踪，无人机在此时调整飞行状态、改变飞行方向不易被所述危险目标所察觉，可以适当地延长所述危险目标发现自己视线追踪无人机丢失的反应时间。
S13、确定飞行路径并进行麻痹飞行：
通过上述步骤S12确定了所述隐匿背景的位置后，分析获得以所述危险目标为圆心，以所述危险目标与无人机之间的距离为半径的水平圆弧形轨迹，使无人机沿着获得的水平圆弧形轨迹飞行，直至飞行至所述隐匿背景、无人机和所述危险目标三点共线的位置，且无人机应当位于所述隐匿背景和所述危险目标之间的位置处。
采用圆弧形飞行轨迹，使所述危险目标不停地处于旋转的状态，从而需要适应一段时间后，所述危险目标才能预判出无人机的轨迹和速度并作出捕捉或攻击动作，飞行速度应该较低或适中，以便于使所述危险目标适应这样的视线追踪速度，并使所述危险目标的旋转形成惯性，此外也用于麻痹所述危险目标使之对无人机后续的飞行路径和位置产生误判。
显然，水平弧形麻痹飞行阶段的飞行轨迹也未必一定是弧形的，也可以是直线形的，即沿着预定飞行轨迹的弧形所对应的弦飞行，其目的仍然是为了到达所述隐匿背景、无人机和所述危险目标三点共线的位置。
S20、竖直调整飞行阶段
当无人机飞行至所述隐匿背景、无人机和所述危险目标三点共线的位置时，无人机迅速地进行抬升飞行；此时由于所述危险目标适应了旋转的动作并形成了惯性，无人机的抬升飞行可以迅速地脱离所述危险目标的视线追踪。
由此可知：
一方面抬升飞行并不限于是竖直向上抬升，无人机飞行角度的改变越接近180°显然越容易快速地脱离所述危险目标的视线追踪，但是立即180°转向飞行显然对于无人机而言是较难实现的，而近似90°的转向飞行对于大多数无人机而言具有可行性；此外，由于无人机本来的飞行高度就不高，如果再通过俯冲的方式来改变飞行方向，急速地降低高度则显然容易发生坠地，因而此处选择迅速地进行近似90°的转向抬升飞行。
另一方面如果无人机抬升飞行的初始一段路径依然处于所述隐匿背景和所述危险目标之间，则显然能够更好地隐匿无人机改变后的飞行状态，从而进一步地增加所述危险目标在视线丢失无人机后的再次搜寻难度，因此对于所述隐匿背景的选择上也可以加以限定：使之在竖直方向上具有较大的长度，更具体地一点是具有较高的高度。
但是当所述危险目标发现无人机在视线中丢失后，会迅速地调整，进行再次搜寻动作，因此无人机还需要进行下列的持续隐匿飞行阶段。
S30、抬升后的持续隐匿飞行阶段
当无人机进行抬升飞行暂时脱离了所述危险目标视线追踪并且飞行高度高于所述危险目标高度的时候，为了避免所述危险目标再次搜寻到无人机，无人机应当朝着所述危险目标的方向迅速地作水平的直线飞行，直至飞行至所述危险目标的后方；由于所述危险目标一直以视线追踪着无人机，因此无人机朝着所述危险目标水平飞行越过所述危险目标后，恰好位于所述危险目标视线的最大盲区处。
然后无人机继续飞行以远离所述危险目标，直至无人机完全脱离所述危险目标的威胁范围或者是视力范围。
在此也可知道，在上述步骤S20中选择进行近似90°的转向抬升飞行，还具有能够迅速地抬升无人机飞行高度的作用，以便于无人机越过所述危险目标飞行至所述危险目标的后方。
基于上述方法，参照图1-3，图1-3是本实施例所提供的一种能够实施上述方法的多旋翼无人机的具体结构示意图。
如图1-3所示，多旋翼无人机包括：机身1、均匀分布设置于所述机身1周围的多个旋翼2、设置于所述机身1上的非接触式测距装置、以及设置于所述机身1或多个所述旋翼2上的外部图像采集装置6；所述非接触式测距装置包括旋转测距头3、轴向竖直设置的竖直旋转轴4、以及监测所述竖直旋转轴4旋转角度的转轴监测器5，所述转轴监测器5固定设置于所述机身1上，所述竖直旋转轴4的轴向一端连接所述机身1，所述竖直旋转轴4的轴向另一端连接所述旋转测距头3。
尽管在本发明中多旋翼2无人机是低空飞行的，但是通常情况下多旋翼2无人机的飞行高度还是要等于或略高于所述危险目标以及周围物体的高度的，因此如果将所述非接触式测距装置设置于所述机身1的顶部，则所述机身1及其周围的所述旋翼2会对所述非接触式测距装置的测距作业形成阻碍；因此：
所述竖直旋转轴4的上端连接所述机身1的底面，所述竖直旋转轴4的下端连接所述旋转测距头3；且多个所述旋翼2的下端高度均高于所述旋转测距头3的高度。
如图1所示：所述外部图像采集装置6可以采用旋转摄像头，通过旋转采集无人机水平方向各个角度上的图像；则所述外部图像采集装置6和所述旋转测距头3可以为一体结构的测距摄像头。
如图2和3所示：所述外部图像采集装置6也可以采用镜头固定的广角摄像头，与所述非接触式测距装置的原因相同地，所述外部图像采集装置6不适合设置于所述机身1的顶部，而如果所述外部图像采集装置6为单个摄像头构成且设置于所述机身1的底部，则对于无人机水平方向上的图像采集效果较差，其主要采集的图像内容为无人机下方即地面的信息，对于无人机而言基本属于无用的信息。
因此优选地，所述外部图像采集装置6为多个镜头固定的广角摄像头构成，且如图2所示，多个所述广角摄像头均匀分布设置于所述机身1的侧面、或者如图3所示，每个所述旋翼2的外侧设置有一个所述广角摄像头。
基于上述多旋翼无人机，参照图4，图4是本实施例所提供的一种多旋翼无人机低空隐匿飞行方法的示意图。
如图4所示，多旋翼无人机的飞行控制系统通过以下方法控制其进行低空隐匿飞行：
S1：通过无人机P上的所述外部图像采集装置采集的图像确定所述危险目标A，所述旋转测距头朝向所述危险目标A测量所述危险目标A与无人机P之间的无人机目标连线的长度r。
S2：通过无人机P上的所述外部图像采集装置采集的图像确定多个颜色与无人机P外观颜色接近的所述隐匿背景B，然后通过所述竖直旋转轴转动所述旋转测距头，使所述旋转测距头依次朝向多个所述隐匿背景B，并测量每个所述隐匿背景B与无人机P之间的无人机背景连线的长度L1，所述转轴监测器监测所述竖直旋转轴获得所述旋转测距头由朝向所述危险目标A旋转至朝向所述隐匿背景B所转过的目标背景夹角的角度α。
S3：根据所述无人机目标连线的长度r、所述无人机背景连线的长度L1和所述目标背景夹角的角度α计算获得所述危险目标A和所述隐匿背景B之间的目标背景连线的长度L2，按照所述目标背景连线的长度L2大于所述无人机目标连线的长度r的要求，对多个所述隐匿背景B进行筛选。
S4：在筛选后符合要求的所述隐匿背景B中，选择所述外部图像采集装置采集的图像高度最高的所述隐匿背景B作为最终选定的唯一的所述隐匿背景B。
在所述外部图像采集装置采集的图像中显示出高度最高的所述隐匿背景B：
一方面可能是所述隐匿背景B与无人机P的距离较近，则无人机P可以通过较短的行程飞行至所述隐匿背景B、无人机P和所述危险目标A三点共线的位置；
另一方面可能是所述隐匿背景B确实具有较高的实际高度，则所述隐匿背景B能够较好地隐匿无人机P改变后的飞行状态，对所述危险目标A的视线和判断具有较好的干扰效果。
S5：在最终选定所述隐匿背景B的基础上，根据所述无人机目标连线的长度r、所述无人机背景连线的长度L1和所述目标背景夹角的角度α计算获得所述目标背景连线与所述无人机目标连线之间的无人机背景夹角的角度β。
S6：无人机P沿着以所述危险目标A和无人机P之间的距离r为半径、以所述危险目标A为圆心的圆弧轨迹R1或者所述圆弧轨迹对应的弦R2飞行，所述圆弧轨迹R1的弧度等于所述无人机背景夹角的角度β。
S7：无人机P飞行至所述隐匿背景B、无人机P和所述危险目标A三点共线的转向抬升起始位置，然后向上进行抬升飞行至目标视野外位置，所述目标视野外位置为所述危险目标A的视野范围上方，且所述目标视野外位置的高度高于所述危险目标A的高度。
具体地，所述目标视野外位置与所述危险目标A之间的连线为抬升终点连线，所述转向抬升起始位置与所述危险目标A之间的连线为抬升起点连线，所述抬升终点连线和所述抬升起点连线之间的夹角大于25°。
在视线方向确定的情况下，人的视野夹角大约为45°，即向上或向下各具有20°～25°的视线余光范围；因此以所述危险目标A的位置为圆心，当无人机P抬升飞行飞过的弧度大于25°时，基本已经脱离了所述危险目标A的视线追踪范围。
S8：无人机P飞至所述目标视野外位置后，朝向所述危险目标A的正上方飞行直至飞行至所述危险目标A的后方，然后无人机P继续飞行以远离所述危险目标A。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种多旋翼无人机的低空隐匿飞行方法，包括多旋翼无人机；所述多旋翼无人机包括机身（1）、均匀分布设置于所述机身（1）周围的多个旋翼（2）、设置于所述机身（1）上的非接触式测距装置、以及设置于所述机身（1）或多个所述旋翼（2）上的外部图像采集装置（6）；所述非接触式测距装置包括旋转测距头（3）、轴向竖直设置的竖直旋转轴（4）、以及监测所述竖直旋转轴（4）旋转角度的转轴监测器（5），所述转轴监测器（5）固定设置于所述机身（1）上，所述竖直旋转轴（4）的轴向一端连接所述机身（1），所述竖直旋转轴（4）的轴向另一端连接所述旋转测距头（3）；
其特征在于，还包括以下步骤：
S1：通过无人机上的所述外部图像采集装置采集的图像确定危险目标，所述旋转测距头朝向所述危险目标测量所述危险目标与无人机之间的无人机目标连线的长度；
S2：通过无人机上的所述外部图像采集装置采集的图像确定多个颜色与无人机外观颜色接近的隐匿背景，然后通过所述竖直旋转轴转动所述旋转测距头，使所述旋转测距头依次朝向多个所述隐匿背景，并测量每个所述隐匿背景与无人机之间的无人机背景连线的长度，所述转轴监测器监测所述竖直旋转轴获得所述旋转测距头由朝向所述危险目标旋转至朝向所述隐匿背景所转过的目标背景夹角的角度；
S3：根据所述无人机目标连线的长度、所述无人机背景连线的长度和所述目标背景夹角的角度计算获得所述危险目标和所述隐匿背景之间的目标背景连线的长度，按照所述目标背景连线的长度大于所述无人机目标连线的长度的要求，对多个所述隐匿背景进行筛选；
S4：在筛选后符合要求的所述隐匿背景中，选择所述外部图像采集装置采集的图像高度最高的所述隐匿背景作为最终选定的唯一的所述隐匿背景；
S5：在最终选定所述隐匿背景的基础上，根据所述无人机目标连线的长度、所述无人机背景连线的长度和所述目标背景夹角的角度计算获得所述目标背景连线与所述无人机目标连线之间的无人机背景夹角的角度；
S6：无人机沿着以所述危险目标和无人机之间的距离为半径、以所述危险目标为圆心的圆弧轨迹或者所述圆弧轨迹对应的弦飞行，所述圆弧轨迹的弧度等于所述无人机背景夹角的角度；
S7：无人机飞行至所述隐匿背景、无人机和所述危险目标三点共线的转向抬升起始位置，然后向上进行抬升飞行至目标视野外位置，所述目标视野外位置为所述危险目标的视野范围上方，且所述目标视野外位置的高度高于所述危险目标的高度；
S8：无人机飞至所述目标视野外位置后，朝向所述危险目标的正上方飞行直至飞行至所述危险目标的后方，然后无人机继续飞行以远离所述危险目标。
2.根据权利要求1所述的低空隐匿飞行方法，其特征在于：在步骤S7中，所述目标视野外位置与所述危险目标之间的连线为抬升终点连线，所述转向抬升起始位置与所述危险目标之间的连线为抬升起点连线，所述抬升终点连线和所述抬升起点连线之间的夹角大于25°。
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