CN110262545A - 一种无人机飞行三维航迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机飞行三维航迹规划方法，为了提高无人机航线规划的智能化，使无人机可以根据实时环境选择最优巡检路线进行监测，提高无人机巡检的自动化，巡检路线和无人机的位置共同实时反应在地面站中，结合人工巡检和无人机巡检，增大巡检的准确率。该三维航迹规划方法流程是地面站内置三维数字地图，然后无人机机载感知模块获取的局部环境信息进行三维空间建模，然后机体通过差分GPS采用载波相位差分技术实时提供观测点的厘米级的高精度的三维坐标，接着通过无人机坐标和内置三维地图建立对应统一的经纬度坐标系并更新修改内置的三维地图，最后结合飞控和自动避障技术，实现三维航迹规划。能够很好地满足无人机巡检的任务。

Description

一种无人机飞行三维航迹规划方法

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，尤其涉及一种无人机飞行三维航迹规划方法。

背景技术

在现代使用无人机巡检已成了常态，而无人机智能巡检是目前主要的研究的方向。在无人机智能巡检方面，无人机自主避障是实现无人机智能巡检最基本的设计。完善的自主避障系统将减少无人机因操作失误而造成无人机损坏或撞毁，挽救因无人机操作失误而造成的一系列损失。

现有的无人机巡检技术通常会根据多个卫星来定位无人机的位置，由于无人机向多个卫星发送定位信息，卫星将无人机的位置信息反馈给无人机，无人机通过不同位置的卫星定位信息的差异来确定无人机的位置。现有的航迹规划是根据预设的数字地图，然后通过GPS/INS组合导航系统，在飞行前在地面站设置最优飞行航迹。

无人机航线规划是无人机任务规划技术中的关键。目前无人机在巡检方面的航线智能规划依然存在着一定的不足与缺陷，例如巡检航线规划智能化程度不高，数据获取形式单一，同时也因为无人机在航线规划时要考虑以下五个方面：飞行环境限制、无人机的物理限制、任务要求和实时性。

因此，现有的无人机巡检技术还存在以下的缺点：

1）智能化程度低、路线时效性差：无人机根据定位系统中过去已有的地图为无人机规划路线，不能根据更新路线来规划无人机航行状况，无人机只知道自身的位置信息，不能将自身位置信息同实际环境信息结合起来，模拟出真实飞行环境，智能化程度低；

2）误差大，定位不准确：无人机在向卫星发送定位信息的同时自身也在飞行，导致定位信息不准确，且向卫星发送的信息受周围环境的影响，时延性大。

发明内容

本发明的目的是为了提高无人机航线规划的智能化，使无人机可以根据实时环境选择最优巡检路线进行监测，提高无人机巡检的自动化，巡检路线和无人机的位置共同实时反应在地面站中，结合人工巡检和无人机巡检，增大巡检的准确率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无人机飞行三维航迹规划方法，包括如下步骤：

S1、地面站根据信息存储模块中的内置三维数字地图和已有的障碍信息库和无人机坐标，建立统一的经纬度坐标系，然后设置最优航线，将最优航线通过无线通信发送给无人机，无人机进行智能航线规划；

S2、无人机在飞行时挂载的吊舱中在视觉感知信息模块中获取周围的局部环境信息，融合无人机中差分定位模块的无人机三维定位信息，最后将融合的信息发送到地面站；

S3、地面站接收到无人机周围的局部环境信息和无人机的GPS定位信息后，将局部环境信息、无人机的三维坐标信息和内置的三维数字地图进行叠加修改，建立新的三维空间模型和修改内置的三维数字地图；

S4、通过新的三维空间模型地图，规划出最新最优的无人机航线，智能规划航线后，地面站通过无线通信发射器将新的航线导入无人机系统，无人机响应后将按新的航线进行飞行；

S5、无人机在飞行过程中重复步骤S2-S4，实现实时反馈障碍避障功能。

优选的技术方案，地面站根据信息存储模块中的三维数字地图、障碍信息库和通过差分定位技术得到的无人机的三维坐标进行融合，建立统一的空间坐标系，然后采用稀疏A*算法计算出最优路径；无人机的差分定位模块是运用载波相位实时动态差分技术与数据传输技术获得无人机的位置厘米级的三维坐标。

优选的技术方案，无人机将视觉感知信息模块的数据通过无线通信发送到地面站，地面站将收到的视觉感知信息模块的数据与内置的三维地图进行融合比较；当出现偏差时，地面站的内置三维数字地图就会进行修改，通过栅格法建立新的仿真三维空间模型。

优选的技术方案，视觉感知信息模块包括高清可见光照相机和毫米波雷达，在无人机在飞行过程会打开高清可见光照相机，高清可见光照相机将拍摄航线前进的周围的环境，无人机的毫米波雷达对地面进行扫描然后经处理形成点云，高清可见光照相机和毫米波雷达采集的数据进行融合。

优选的技术方案，无人机通过接收到基准站和卫星的定位并将此数据发送至地面站，然后基准站同时计算出改正数并通过数据链发给地面站，地面站通过整周模糊度动态解算算法计算出无人机的动态的三维坐标。

本发明的有益效果是：

相比于传统的无人机巡检技术方法，本技术方案的三维航迹规划方法流程是地面站内置三维数字地图，然后无人机机载感知模块获取的局部环境信息进行三维空间建模，然后机体通过差分GPS采用载波相位差分技术实时提供观测点的厘米级的高精度的三维坐标，接着通过无人机坐标和内置三维地图建立对应统一的经纬度坐标系并更新修改内置的三维地图，最后结合飞控和自动避障技术，实现三维航迹规划。能够很好地满足无人机巡检的任务。

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是本发明无人机飞行三维航迹规划方法的任务流程简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种无人机飞行三维航迹规划方法，首先地面站根据信息存储模块中的内置三维数字地图、已有的障碍信息库和无人机坐标设置最优航线，然后将航线通过无线通信发送给无人机，无人机进行智能航线规划，无人机在飞行时挂载的吊舱中在视觉感知信息模块中获取周围的局部环境信息，然后融合无人机中差分定位模块的无人机三维定位信息，最后将融合的信息发送到地面站；地面站接收到无人机周围的局部环境信息和无人机的GPS定位信息后，将局部环境信息、无人机的三维坐标信息和内置的三维数字地图进行叠加修改，建立新的三维空间模型和修改内置的三维数字地图，然后在飞行过程中通过毫米波雷达对航线的障碍进行扫描避障和重新规划航线，实现实时反馈障碍避障功能。最后通过新的三维空间模型地图，规划出最新最优的无人机航线。

地面站根据信息存储模块中的三维数字地图、障碍信息库和通过差分定位技术得到的无人机的三维坐标进行融合，建立统一的空间坐标系，然后采用稀疏A*算法计算出最优路径。无人机的差分定位装置是运用载波相位实时动态差分技术（RTK GPS技术）与数据传输技术获得无人机的位置厘米级的三维坐标。无人机通过接收到基准站和卫星的定位并将此数据发送至地面站，然后基准站同时计算出改正数并通过数据链发给地面站，地面站通过整周模糊度动态解算算法计算出无人机的动态的三维坐标。稀疏A*算法是一种启发式搜索算法，对位置进行合理评估是搜索最优路径。智能规划航线后，地面站通过无线通信发射器将航线导入无人机系统，无人机响应后将按航线进行飞行。

在无人机在飞行过程会打开高清可见光照相机，照相机将拍摄航线前进的周围的环境，无人机的毫米波雷达对地面进行扫描然后经处理形成点云，高清可见光照相机和毫米波雷达采集的数据进行融合。无人机将视觉感知信息模块的融合数据通过无线通信发送到地面站，地面站将收到的毫米波雷达和高清可见光照片的融合数据与内置的三维地图进行融合比较。

内置的三维地图通过栅格法将其区域划分为细小的子区，每个子区都有对应的信息状态量T1（i1,j1,h1,k1），其中（i1,j1,h1）表示区块地图的经纬度及高程，同时将毫米波雷达和高清可见光的融合数据也进行栅格法将其进行分解成区块，每个子区也都有自己对应的信息状态量T2（i2,j2,h2,k2），其中（i2,j2,h2）表示区块地图的经纬度及高程，然后根据T1和T2中的（i1,j1）和（i2,j2）进行匹配，匹配成功后，根据T1和T2的h1、h2进行距离d的计算，当d超过设置的数值时，系统默认为有偏差，当出现偏差时，地面站的内置三维数字地图就会进行修改，通过栅格法建立新的仿真三维空间模型，将内置三维数字地图进行栅格法对区域分解，每个子区都是连接的，并有标记。每个栅格都有对应的信息状态量（i,j,h,k），其中（i,j,h）表示区块地图的经纬度及高程，k代表栅格的属性，1代表该栅格区域已经被无人机扫描过，0代表未被无人机遍历过。然后通过雷达点云来调节栅格的高度，高清可见光照片融合叠加添加点云的颜色，建立新的仿真三维空间模型。并且将通过d值的变化大小来判断此栅格是否产生偏差。并将偏差与已有的障碍信息表进行智能判断，将偏差的位置、形状信息的在障碍信息表里进行检索对比，如果在障碍信息表里面搜索不到，并根据预设的航线和偏差的位置进行分析计算，判断此偏差是否对无人机飞行产生影响，如果产生影响则会将则此偏差信息添加至障碍信息表里面并同时向无人机发出“悬停”指令，在航线模块中对航线重新规划生成新的航线，在操作手确定航线后就由无线信号发射装置发送无人机，无人机将按照新航线继续飞行；如果根据偏差的位置在障碍信息表内找到相应的障碍信息记录，并根据预设的航线和偏差的位置进行分析计算，判断此偏差是否对无人机飞行产生影响，如果没有影响，就给出操作手两个选择，一是是否删除障碍信息表内的此障碍、二是是否重新规划航线，并修改障碍信息表。同时在飞行过程中雷达扫描到前进的路线有物体时，会自动启动“悬停”指令，然后实现全方位、多线程的障碍物位置检测，运用智能航迹在线规划技术对已经注入的航迹任务进行在线调整或再规划实现对障碍物的躲避绕行。无人机三维坐标通过三维立体轨迹方程建立无人机轨迹。并将无人机轨迹导入到新的三维地图上，最后在显示模块中显示无人机飞行时的三维航迹和航线。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无人机飞行三维航迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、地面站根据信息存储模块中的内置三维数字地图和已有的障碍信息库结合无人机坐标，建立统一的经纬度坐标系，然后设置最优航线，将最优航线通过无线通信发送给无人机，无人机进行智能航线规划；

S2、无人机在飞行时挂载的吊舱中在视觉感知信息模块中获取周围的局部环境信息，融合无人机中差分定位模块的无人机三维定位信息，最后将融合的信息发送到地面站；

S3、地面站接收到无人机周围的局部环境信息和无人机的GPS定位信息后，将局部环境信息、无人机的三维坐标信息和内置的三维数字地图进行叠加修改，建立新的三维空间模型和修改内置的三维数字地图；

S4、通过新的三维空间模型地图，规划出最新最优的无人机航线，智能规划航线后，地面站通过无线通信发射器将新的航线导入无人机系统，无人机响应后将按新的航线进行飞行；

S5、无人机在飞行过程中重复步骤S2-S4，实现实时反馈障碍避障功能。

2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行三维航迹规划方法，其特征在于，地面站根据信息存储模块中的三维数字地图、障碍信息库和通过差分定位技术得到的无人机的三维坐标进行融合，建立统一的空间坐标系，然后采用稀疏A*算法计算出最优路径；无人机的差分定位模块是运用载波相位实时动态差分技术与数据传输技术获得无人机的位置厘米级的三维坐标。

3.根据权利要求1所述的一种无人机飞行三维航迹规划方法，其特征在于，无人机将视觉感知信息模块的数据通过无线通信发送到地面站，地面站将收到的视觉感知信息模块的数据与内置的三维地图进行融合比较；当出现偏差时，地面站的内置三维数字地图就会进行修改，通过栅格法建立新的仿真三维空间模型。

4.根据权利要求1所述的一种无人机飞行三维航迹规划方法，其特征在于，视觉感知信息模块包括高清可见光照相机和毫米波雷达，在无人机在飞行过程会打开高清可见光照相机，高清可见光照相机将拍摄航线前进的周围的环境，无人机的毫米波雷达对地面进行扫描然后经处理形成点云，高清可见光照相机和毫米波雷达采集的数据进行融合。

5.根据权利要求1所述的一种无人机飞行三维航迹规划方法，其特征在于，无人机通过接收到基准站和卫星的定位并将此数据发送至地面站，然后基准站同时计算出改正数并通过数据链发给地面站，地面站通过整周模糊度动态解算算法计算出无人机的动态的三维坐标。