CN110673631B - 一种无人机飞行方法、装置和无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种无人机飞行方法、装置和无人机，所述方法包括：获取所述无人机与电子围栏的距离；如果所述距离小于预设距离阈值，则将虚拟阻力施加于所述无人机；根据所述虚拟阻力获得速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。本发明实施例在无人机距离电子围栏的距离小于预设距离阈值时，为其施加一个虚拟阻力，并根据所述虚拟阻力获得速度指令，以调整无人机的飞行速度。本发明实施例可以降低无人机的加速度，从而减小无人机冲入限制区域的距离。
Description
技术领域
本发明实施例涉及无人飞行器技术领域，特别涉及一种无人机飞行方法、装置和无人机。
背景技术
随着无人机技术的发展，无人机在军事及民用领域都得到了广泛的应用，尤其是消费级无人机的兴起，导致空域安全问题日益严重。因此，为了保证空域有序及安全飞行，在某些敏感区域(例如机场)对民用无人飞行器的飞行有着严格限制，例如限高、限飞和禁飞等。
目前，对无人飞行器在敏感区域的限制通常通过电子围栏技术来实现，通过软件程序的形式在无人飞行器的地图上构建虚拟的电子围栏，以阻碍或者限制无人飞行器在电子围栏区域实际飞行。该电子围栏为正常飞行区域和限制区域的边界，上述软件程序需保证无人飞行器在正常飞行区域正常飞行，响应飞行命令，在限制区域按相应的限制规则限高、悬停甚至强制降落等。
在实现本发明过程中，发明人发现上述方法至少存在如下问题：在无人飞行器由正常飞行区域接近限制区域时，需要无人机速度迅速降低，然而由于惯性作用，不可避免的会出现无人飞行器跨越电子围栏冲入限制区域的情况。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种无人机飞行方法、装置和无人机，能减小无人机跨越电子围栏、冲入限制区域的距离。
第一方面，本发明实施例提供了一种无人机飞行方法，所述方法用于无人机，其特征在于，所述方法包括：
获取所述无人机与电子围栏的距离；
如果所述距离小于预设距离阈值，则将虚拟阻力施加于所述无人机，以降低所述无人机的速度；
根据所述虚拟阻力获得速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。
在其中一些实施例中，所述虚拟阻力根据虚拟阻抗模型获得。
在其中一些实施例中，所述根据所述虚拟阻力获得速度指令，包括：
将所述虚拟阻力与所述无人机受到的力进行矢量合成，获得合成力；
根据所述合成力获得所述无人机的期望加速度；
根据所述期望加速度获得所述速度指令。
在其中一些实施例中，所述方法还包括：
在所述距离大于所述预设距离阈值时，卸载所述虚拟阻力。
在其中一些实施例中，所述虚拟阻抗模型至少包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的任意一种。
第二方面，本发明实施例提供了一种无人机飞行装置，所述装置用于无人机，所述装置包括：
距离获取模块，用于获取所述无人机与电子围栏的距离；
虚拟阻力施加模块，用于当所述距离小于预设距离阈值时，将虚拟阻力施加于所述无人机；
速度指令获取模块，用于根据所述虚拟阻力获得速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。
在其中一些实施例中，所述虚拟阻力根据虚拟阻抗模型获得。
在其中一些实施例中，所述速度指令获取模块具体用于：
将所述虚拟阻力与所述无人机受到的力进行矢量合成，获得合成力；
根据所述合成力获得所述无人机的期望加速度；
根据所述期望加速度获得所述速度指令。
在其中一些实施例中，所述装置还包括：
虚拟阻力卸载模块，用于在所述距离大于所述预设距离阈值时，卸载所述虚拟阻力。
在其中一些实施例中，所述虚拟阻抗模型至少包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的任意一种。
第三方面，本发明实施例提供了一种无人机，所述无人机包括机身、与所述机身相连的机臂、设于所述机臂的动力系统、设置于所述机身的飞行控制器；其中，所述飞行控制器包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被无人机执行时，使所述无人机执行上述的方法。
第五方面，本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被无人机执行时，使所述无人机执行上述的方法。
本发明实施例的无人机飞行方法、装置和无人机，在无人机距离电子围栏的距离小于预设距离阈值时，为其施加一个虚拟阻力，并根据所述虚拟阻力获得速度指令，以调整无人机的飞行速度。本发明实施例可以降低无人机的速度，从而减小无人机冲入限制区域的距离，尽快地将无人机拉回电子围栏外的正常飞行区域。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例无人机飞行方法和装置的应用场景示意图；
图2是本发明无人机的一个实施例的结构示意图；
图3是本发明无人机飞行方法的一个实施例的流程示意图；
图4是本发明无人机飞行方法的一个实施例中虚拟阻抗模型示意图；
图5是本发明无人机飞行装置的一个实施例的结构示意图；
图6是本发明无人机飞行装置的一个实施例的结构示意图；
图7是本发明无人机的一个实施例中飞行控制器的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的无人机飞行方法和装置可以应用于如图1所示的应用场景，在图1所示的应用场景中，包括无人机100和电子围栏200。其中，无人机100可以为合适的无人飞行器包括固定翼无人飞行器和旋转翼无人飞行器，例如直升机、四旋翼机和具有其它数量的旋翼和/或旋翼配置的飞行器。无人机100还可以是其他可移动物体，例如载人飞行器、航模、无人飞艇、无人热气球等。电子围栏200是一种虚拟围栏，其是通过软件程序在无人机的飞行地图上构建的虚拟的电子围栏，该电子围栏用于区分正常飞行区域和限制区域，在正常飞行区域无人机可以实现正常飞行，响应飞行命令，在限制区域无人机需按相应的限制规则限高、悬停甚至强制降落。
其中，在一些实施例中，请参照图2，无人机100包括机身、与所述机身相连的机臂、设于机臂的动力系统和设于机身10的控制系统(机身、机臂、动力系统和控制系统图中均未示出)。动力系统用于提供无人机100飞行的推力、升力等，包括电子调速器20、电机30和桨叶(图中未示出)。控制系统包括飞行控制器10，用于向电子调速器20发送油门控制信号(例如速度指令)以及其他控制信号。电子调速器20用于根据飞行控制器10发送的控制信号调整电机30的转速，电机30用于带动无人机100的桨叶旋转从而为无人机100的飞行提供动力。
无人机100在接近电子围栏边界由正常飞行区域向限制区域方向飞行时，由于惯性作用容易冲破电子围栏边界、冲进限制区域。为了减小无人机100冲进限制区域的距离，本发明实施例在无人机100接近电子围栏边界时，为其施加一个虚拟阻力，然后根据该虚拟阻力获得速度指令，并根据该速度指令调整无人机的飞行速度。本发明实施例可以降低无人机100的飞行速度，从而减小无人机冲入限制区域的距离。
需要说明的是，本发明实施例中所述的为无人机施加虚拟阻力，并非真正的将力作用于无人机，而是将该虚拟阻力引入无人机的控制策略，从而获得引入虚拟阻力后的期望速度即速度指令，进而根据该速度指令调控无人机的飞行速度，达到整体、平滑降速的目的。
图3为本发明实施例提供的一种无人机飞行方法的流程示意图，所述方法可以由无人机执行(例如图1中的无人机100，具体的，在一些实施例中，所述方法由无人机100中的飞行控制器执行)，如图3所示，所述方法包括：
101：获取所述无人机与电子围栏的距离。
具体的，在其中一些实施例中，无人机实时的获取自身的位置和电子围栏边界各边界点的位置，并获得无人机距各边界点的距离中的最小距离，该最小距离即为无人机距离电子围栏的距离。
102：如果所述距离小于预设距离阈值，则将虚拟阻力施加于所述无人机。
如果无人机与电子围栏的距离小于预设距离阈值，说明无人机已经较接近电子围栏边界，为减小无人机冲入限制区域的距离，此时为无人机施加虚拟阻力。其中，所述虚拟阻力，并非真正作用于无人机，而是将该虚拟阻力引入无人机的控制策略，以对无人机的飞行进行调整。
在其中一些实施例中，可以根据虚拟阻抗模型获得所述虚拟阻力，其中，虚拟阻抗模型可以至少包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的任意一种。即虚拟阻抗模型包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的一种或者两种以上，例如虚拟阻抗模型包括虚拟弹簧和虚拟质量，或者虚拟阻抗模型同时包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量等等。
图4示出了同时包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量的虚拟阻抗模型。虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量之间可以串联或者并联，虚拟阻力可以根据阻抗模型的虚拟元件和各虚拟元件的连接关系获得。
以图4所示的实施例为例，虚拟阻力F阻可以通过以下公式获得：
其中，X为从施加虚拟力开始至电子围栏边界无人机的位移，M为虚拟质量的质量，K为虚拟弹簧的刚度系数，C为虚拟阻尼的阻尼系数。其中，M、K和C可以根据边界限飞响应要求选择合适的参数，例如根据冲入限制区域的最大距离要求或者稳定时间要求设定。
其中，预设距离阈值可以根据实际应用情况设定，例如100米、50米、30米等。
无人机在飞行过程中，受到多种力的作用，例如推力、升力、重力等。这些力共同作用影响着无人机的加速度，进而影响无人机的飞行速度。本发明实施例为无人机施加一虚拟阻力，即假设无人机还受到了一个虚拟阻力，这个虚拟阻力具有减小无人机的加速度，进而减小无人机的速度的作用，该虚拟阻力的方向可以是无人机飞行速度的反方向。
103：根据所述虚拟阻力获得速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。
在本发明的其中一些实施例中，可以将所述虚拟阻力引入力的合成中，通过引入虚拟阻力的合成力计算期望加速度，进而计算期望速度，并根据期望速度调整无人机的飞行速度达到降速的目的。具体的，先将虚拟阻力与无人机受到的其他力进行矢量合成，获得合成力，然后根据动力学方程F＝ma获得期望加速度a，再根据期望加速度a获得期望速度即速度指令。
由于无人机在短时间内的运动可以近似为加速度不变的匀加速直线运动，因此，在其中一些实施例中，每隔一段较短时间Δt计算一次期望速度。由匀加速直线运动，有v1＝v0+aΔt，其中，v1为Δt后的速度(即期望速度)，v0为初始速度，v0可以通过无人机的测速传感器(例如超声波测速传感器或者空速管等)测量获得，由于a和Δt已知，则期望速度v1可以通过上式计算获得。如此每隔Δt获得一个期望速度(即速度指令)，获得速度指令后飞行控制器将该速度指令发送至电子调速器，以使电子调速器根据该速度指令调整电机转速，进而调整无人机的飞行速度。
为无人机施加该虚拟阻力后，无人机速度将持续减小，当速度减小至零时，此时无人机有可能位于安全距离，也有可能仍然位于限制区域或者位于距离小于预设距离阈值处。因此，在本发明的一些实施例力中，无人机速度减小至零时并不卸载该虚拟阻力，在该虚拟阻力的作用下，无人机会向正常飞行区域飞行，即被推回安全距离处。当无人机距离电子围栏边界的距离大于预设距离阈值时，卸载虚拟阻力。本发明实施例可以确保无人机返回安全距离处，进一步提高了飞行安全。
本发明实施例在无人机距离电子围栏的距离小于预设距离阈值时，为其施加一个虚拟阻力，并根据所述虚拟阻力获得速度指令，以调整无人机的飞行速度。本发明实施例可以降低无人机的飞行速度，从而减小无人机冲入限制区域的距离。而且，本发明实施例可以使无人机在电子围栏边界附近的限速命令更加平滑，避免陡变型命令，使无人机的边界飞行行为更为流畅自然。
相应的，如图5所示，本发明实施例还提供了一种无人机飞行装置，所述装置可以用于无人机(例如图1所示的无人机)，无人机飞行装置500包括：
距离获取模块501，用于获取所述无人机距离电子围栏的距离；
虚拟阻力施加模块502，用于如果所述距离小于预设距离阈值，则将虚拟阻力施加于所述无人机；
速度指令获取模块503，用于根据所述虚拟阻力获得速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。
本发明实施例在无人机距离电子围栏的距离小于预设距离阈值时，为其施加一个虚拟阻力，并根据所述虚拟阻力获得速度指令，以调整无人机的飞行速度。本发明实施例可以降低无人机的飞行速度，从而减小无人机冲入限制区域的距离。而且，本发明实施例可以使无人机在电子围栏边界附近的限速命令更加平滑，避免陡变型命令，使无人机的边界飞行行为更为流畅自然。
在其中一些实施例中，所述虚拟阻力根据虚拟阻抗模型获得。
在其中一些实施例中，速度指令获取模块503具体用于：
将所述虚拟阻力与所述无人机受到的力进行矢量合成，获得合成力；
根据所述合成力获得所述无人机的期望加速度；
根据所述期望加速度获得所述速度指令。
在其中一些实施例中，如图6所示，所述装置还包括：
虚拟阻力卸载模块504，用于在所述距离大于所述预设距离阈值时，卸载所述虚拟阻力。
在其中一些实施例中，所述虚拟阻抗模型至少包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的任意一种。
需要说明的是，上述装置可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在装置实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。
图7是本发明无人机的一个实施例中飞行控制器10的硬件结构示意图，如图7所示，飞行控制器10包括：
一个或多个处理器11以及存储器12，图7中以一个处理器11为例。
处理器11和存储器12可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。
存储器12作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的无人机飞行方法对应的程序指令/模块(例如，附图5所示的距离获取模块501、虚拟阻力施加模块502和速度指令获取模块503)。处理器11通过运行存储在存储器12中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行飞行控制器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的无人机飞行方法。
存储器12可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据控制器的使用所创建的数据等。此外，存储器12可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器12可选包括相对于处理器11远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至飞行控制器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器12中，当被所述一个或者多个处理器11执行时，执行上述任意方法实施例中的无人机飞行方法，例如，执行以上描述的图3中的方法步骤101至步骤103；实现图5中的模块501-503、图6中的模块501-504的功能。
上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。
本申请实施例提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，例如图7中的一个处理器11，可使得上述一个或多个处理器可执行上述任意方法实施例中的无人机飞行方法，例如，执行以上描述的图3中的方法步骤101至步骤103；实现图5中的模块501-503、图6中的模块501-504的功能。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施例的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory,RAM)等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种无人机飞行方法，所述方法用于无人机，其特征在于，所述方法包括：
获取所述无人机与电子围栏的距离；
如果所述距离小于预设距离阈值，则将虚拟阻力施加于所述无人机，其中，所述虚拟阻力根据虚拟阻抗模型获得，所述虚拟阻抗模型是预先设置的用于生成虚拟阻力的一个模型，所述虚拟阻抗模型至少包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的任意一种；
将所述虚拟阻力与所述无人机受到的力进行矢量合成，获得合成力；
根据所述合成力获得所述无人机的期望加速度；
根据所述期望加速度获得速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述距离大于所述预设距离阈值时，卸载所述虚拟阻力。
3.一种无人机飞行装置，所述装置用于无人机，其特征在于，所述装置包括：
距离获取模块，用于获取所述无人机与电子围栏的距离；
虚拟阻力施加模块，用于当所述距离小于预设距离阈值时，将虚拟阻力施加于所述无人机，其中，所述虚拟阻力根据虚拟阻抗模型获得，所述虚拟阻抗模型是预先设置的用于生成虚拟阻力的一个模型，所述虚拟阻抗模型至少包括虚拟弹簧、虚拟阻尼和虚拟质量中的任意一种；
速度指令获取模块，用于将所述虚拟阻力与所述无人机受到的力进行矢量合成，获得合成力；根据所述合成力获得所述无人机的期望加速度；根据所述期望加速度获得所述速度指令，以根据所述速度指令调整无人机的飞行速度。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
虚拟阻力卸载模块，用于在所述距离大于所述预设距离阈值时，卸载所述虚拟阻力。
5.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括机身、与所述机身相连的机臂、设于所述机臂的动力系统、设置于所述机身的飞行控制器；其中，所述飞行控制器包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1或2所述的方法。
6.一种非易失性计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被无人机执行时，使所述无人机执行如权利要求1或2所述的方法。
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