CN110770597A - 旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机 - Google Patents

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Abstract

一种旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机，该方法包括：获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，将N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，并根据N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，例如坡度、无人机距离所述地面的高度等。将旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，这样可以增大旋转微波雷达对水平面的扫描范围，进而实现对地面的准确、全面测量，从而提高了地面测量的准确性。

Description

旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机
技术领域
本发明实施例涉及无人机技术领域，尤其涉及一种旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机。
背景技术
目前无人机可以应用于多种场景，例如，在电力行业中，需要对电缆大范围的巡线、实时重建电缆3D图像，在第二代农业无人机方面，提出了水平面360°无障碍的功能指标。在这些作业场景下，无人机大多需要近地飞行，并且要避免爬坡时误撞地面。在较平坦的地面上，基于全球定位系统(Global Positioning System，GPS)及惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)数据，无人机可以较顺利地完成上述任务；在较为崎岖的地形，无人机需要提前进行动作调整，进行爬坡、下坡、减速、刹车等操作，实现近地飞行甚至等高飞行；这样才能使得无人机更好地完成上述作业。因此，需要先预测无人机作业的地面的地形信息。
传统的技术中，一般通过旋转微波雷达测量的多个目标点的位置信息，基于这些目标点的位置信息，确定地面模型，基于地面模型获取地面的地形信息。但是，在实际情况中，由于旋转微波雷达安装位置受限，使得测量的目标点无法准确、全面地反映地面信息，从而影响地形预测的准确率。
发明内容
本发明实施例提供一种旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机，用于提高地形预测的准确率。
第一方面，本发明实施例提供一种旋转微波雷达的地形预测方法，包括：
获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中，所述N为正整数，所述旋转微波雷达安装在无人机上，并且所述旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置；所述第一位置信息为目标点相对于所述旋转微波雷达的直线距离；
将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，其中，第二位置信息为目标点在可移动载体的坐标系中的坐标信息；
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，所述地形参数包括以下至少一种：坡度、所述无人机距离所述地面的高度。
第二方面，本发明实施例提供一种旋转微波雷达的控制系统，包括：包括：存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序代码；
所述处理器，调用所述程序代码，当程序代码被执行时，用于执行以下操作：
获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中，所述N为正整数，所述旋转微波雷达安装在无人机上，并且所述旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置；所述第一位置信息为目标点相对于所述旋转微波雷达的直线距离；
将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，其中，第二位置信息为目标点在可移动载体的坐标系中的坐标信息；
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，所述地形参数包括以下至少一种：坡度、所述无人机距离所述地面的高度。
第三方面，本发明实施例提供一种雷达探测装置，包括：天线装置以及第二方面所述的控制系统，所述控制系统与所述天线装置通信连接。
第四方面，本发明实施例提供一种无人机，机架、飞行控制系统和第三方面所述的雷达探测装置，所述旋转微波雷达搭载在所述机架上，
所述飞行控制系统与所述雷达探测装置通信连接，以获取所述地形参数，所述飞行控制系统根据所述地形参数控制所述无人机。
本发明实施例提供的旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机，获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，将N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，并根据N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，例如坡度、无人机距离所述地面的高度等。由于本实施例将旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，这样，可以增大旋转微波雷达对水平面的扫描范围，进而实现对地面的准确、全面测量，从而提高了地面测量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例涉及的无人机的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的旋转微波雷达的地形预测方法的流程图；
图3为本发明实施例涉及的旋转微波雷达的扫描范围示意图；
图4为本发明实施例二提供的旋转微波雷达的地形预测方法的流程图；
图5为本发明实施例二涉及的障碍物划分示意图；
图6本发明实施例提供的旋转微波雷达的控制系统的一种结构示意图；
图7为本发明实施例提供的雷达探测装置的一种结构示意图；
图8为本发明实施例提供的无人机的一种结构示意图。
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。
本发明的实施例提供了旋转微波雷达的地形预测方法、装置、系统和无人机。无人机可以是旋翼飞行器(rotorcraft)，例如，由多个推动装置通过空气推动的多旋翼飞行器，本发明的实施例并不限于此。
图1为本申请实施例涉及的无人机的结构示意图，本实施例以旋翼无人飞行器为例进行说明。
无人机100可以包括动力系统、飞行控制系统和机架。无人机100可以与控制终端进行无线通信，该控制终端可以显示无人机的飞行信息等，控制终端可以通过无线方式与无人机100进行通信，用于对无人机100进行远程操纵。
其中，机架可以包括机身110和脚架120(也称为起落架)。机身110可以包括中心架111以及与中心架111连接的一个或多个机臂112，一个或多个机臂112呈辐射状从中心架延伸出。脚架120与机身110连接，用于在无人机100着陆时起支撑作用，另外脚架120之间还搭载有搭载件130，该搭载件130可以是拍摄装置、储液箱、抢险物资等任意可以搭载在无人机上的产品。
动力系统可以包括一个或多个电子调速器(简称为电调)、一个或多个螺旋桨140以及与一个或多个螺旋桨140相对应的一个或多个电机150，其中电机150连接在电子调速器与螺旋桨140之间，电机150和螺旋桨140设置在无人机100的机臂112上；电子调速器用于接收飞行控制系统产生的驱动信号，并根据驱动信号提供驱动电流给电机，以控制电机150的转速。电机150用于驱动螺旋桨140旋转，从而为无人机100的飞行提供动力，该动力使得无人机100能够实现一个或多个自由度的运动。在某些实施例中，无人机100可以围绕一个或多个旋转轴旋转。例如，上述旋转轴可以包括横滚轴、偏航轴和俯仰轴。应理解，电机150可以是直流电机，也可以交流电机。另外，电机150可以是无刷电机，也可以是有刷电机。
飞行控制系统可以包括飞行控制器和传感系统。传感系统用于测量无人飞行器的姿态信息，即无人机100在空间的位置信息和状态信息，例如，三维位置、三维角度、三维速度、三维加速度和三维角速度等。传感系统例如可以包括陀螺仪、超声传感器、电子罗盘、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、视觉传感器、全球导航卫星系统和气压计等传感器中的至少一种。例如，全球导航卫星系统可以是全球定位系统(GlobalPositioning System，GPS)。飞行控制器用于控制无人机100的飞行，例如，可以根据传感系统测量的姿态信息控制无人机100的飞行。应理解，飞行控制器可以按照预先编好的程序指令对无人机100进行控制，也可以通过响应来自控制终端的一个或多个控制指令对无人机100进行控制。
如图1所示，无人机的脚架120上还可以搭载旋转微波雷达160，该旋转微波雷达160可以用于测距，但不限于测距。其中，无人机可以包括两个或两个以上脚架120，旋转微波雷达160搭载在其中一个脚架120上。
应理解，上述对于无人机各组成部分的命名仅是出于标识的目的，并不应理解为对本发明的实施例的限制。
图2为本发明实施例一提供的旋转微波雷达的地形预测方法的流程图，如图2所示，本实施例的方法可以包括：
S201、获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中，所述N为正整数，所述旋转微波雷达安装在无人机上，并且所述旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置；所述第一位置信息为目标点相对于所述旋转微波雷达的直线距离。具体地，旋转微波雷达可以安装在无人机的脚架上。需要说明的是，旋转微波雷达也可以安装在无人机的其他位置，例如，可以安装在无人机的中心体的底部。
S202、根据所述雷达扫描角度，将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，其中，第二位置信息为目标点在可移动载体的坐标系中的坐标信息。
S203、根据所述N个目标点的第二位置信息，确定地面的地形参数，所述地形参数包括以下至少一种：坡度、所述无人机距离所述地面的高度。
已有的旋转微波雷达水平安装在无人机上，即旋转微波雷达的旋转轴于无人机的航向轴水平设置，这样无法实现水平360°对地图的扫描，使得测量的距离无法准确、全面地反映地面信息，从而影响地形预测的准确率。
为了解决该技术问题，本实施例通过将旋转微波雷达垂直安装在无人机上，即旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，这样，可以增大旋转微波雷达对水平面的扫描范围，例如可以对水平面360°扫描物，进而实现地面的准确、全面测量。
本实施例中，旋转微波雷达在旋转过程中对地面进行测距，以获得该旋转微波雷达相距地面的距离，其中旋转微波雷达的雷达扫描角度不同时，旋转微波雷达对地面进行测距的目标点也不相同。例如3所示，雷达扫描角度越大，旋转微波雷达测量的目标点的数量越多。
旋转微波雷达在旋转过程对地面上的N个目标点进行测距，获得N个目标点的第一位置信息，该第一位置信息为目标点相对于旋转微波雷达的直线距离。每个第一位置信息反映了旋转微波雷达在旋转至对应的扫描角度时时与地面的距离，对于同一目标点，若该目标点所在的地面高，则旋转微波雷达与地面的距离低，若该目标点所在的地面低，则旋转微波雷达与地面的距离大；例如：若旋转微波雷达与地面的不同目标点之间的距离差距较大，则说明地面的平整度低。对于相同的多个目标点，若旋转微波雷达与地面的距离均较小，则说明该多个目标点所在的地面的坡度较高，若旋转微波雷达与地面的距离均较大，则说明该多个目标点所在的地面的坡度较低。
上述旋转微波雷达测量的各目标点的第一位置信息是在雷达坐标系下的测量的坐标，即球坐标。为了便于后续计算，需要将雷达坐标系下的第一位置信息转换到可移动载体的坐标系中的坐标信息，进而获得，N个目标点的第二位置信息。
可选的，上述可移动载体可以为无人飞行器、遥控车辆、或手持云台。
可选的，上述第二位置信息可以为目标点在可移动载体为原点的笛卡尔坐标系中的坐标信息。
在一种示例中，可以根据如下公式(1)，将将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息：
Figure BDA0002325222000000061
其中，ri为目标点i与相对于旋转微波雷达的直线距离，θi为目标点i与xy平面的偏角，
Figure BDA0002325222000000062
为单个光栅格对应角度，(xRi，yRi，zRi)为目标点i的第二位置信息。
这样，根据上述步骤，获得N个目标点中每个目标点的第二位置信息，并基于N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定这N个目标点所在的地面的地形参数，该地形参数包括：地面的坡度、无人机距离所述地面的高度，可选的，地形参数还可以包括地面的平整度等。
由图3可知，本实施例的旋转微波雷达在竖直方向的扫描范围为120°，这样，不仅可以扫描扫地面上的点，也可以扫描到非地面上的点，进而提高了扫描范围。这样，在确定地面的地形参数时，可以根据N个目标点中每个目标点对应的雷达扫描角度和第二位置信息，确定地面的地形参数。例如，根据雷达扫描角度，从N个目标点中获取地面上的目标点，接着，基于地面上的目标点的第二位置信息，确定地面的地形参数。
本实施例中，通过获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，将N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，并根据N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，例如坡度、无人机距离所述地面的高度等。由于本实施例将旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置，这样，可以增大旋转微波雷达对水平面的扫描范围，进而实现对地面的准确、全面测量，从而提高了地面测量的准确性。
可选的，为进一步提高对地面的全面测量，则N个目标点的第一位置信息为旋转微波雷达对水平面360度扫描采集的，雷达扫描角度为旋转微波雷达相较于0度起始位置转动的绝对角度。可选的，如图3所示，旋转微波雷达的0度起始位置相较于大地的水平面平行设置。
在一些实施例中，上述S203中根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数的一种可以的实现方式中，可以包括如下步骤A和B；
其中，步骤A、根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，构建地面的平面方程。
由上述可知，可以根据公式(1)可以将N个目标点中每个目标点的第一位置信息转换为第二位置信息，进而获得的N个目标点中每个目标点的第二位置信息为(xRi，yRi，zRi)。接着，基于N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，可以构建地面的平面方程。
例如，如图3可知，旋转微波雷达的雷达扫描角度为±60°，其中当在+60°上进行扫描时，可能扫描不到地面上的点，因此，可以根据雷达扫描角度，从N个目标点中获取雷达扫描角度在预设范围内(例如在0°至-60°)的M个目标点。进而基于M个目标点的第二位置信息，构建地面的平面方程。
可选的，从所述N个目标点中获取第二位置信息和雷达扫描角度满足预设条件的M个目标点。
为了避免扫描过程中的误差，本实施例将N个目标点中第二位置信息满足预设值的目标点记为地面上的点，例如，第二位置信息中的Z坐标值小于预设值的目标点记为地面上的点。同时，将雷达扫描角度在预设范围内的坐标点作为地面上的点。这样，可以根据N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，从N个目标点中获取M个目标点。
步骤A2、根据所述M个目标点的第二位置信息，构建平面方程。
根据上述步骤，可以获得M个地面上的目标点，基于这地面上的M个目标点来构建地面的平面方程。
在一些实施例中，步骤A2的一种可能的实现方式可以包括：步骤A11和步骤A12。
步骤A11、将所述M个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息，其中，所述第三位置信息为所述目标点在飞机坐标系中的位置信息。
例如，根据如下公式(2)，将M个目标点的第二位置信息，转换为飞机坐标系下的位置信息，其中公式(2)是一种示例，本实施例不限于此，例如可以是公式(2)的任一变形。
Figure BDA0002325222000000071
其中，由于安装引起偏置，使得旋转微波雷达的起始光栅刻度轴xR与无人机前向方向轴xA存在夹角
Figure BDA0002325222000000072
(xRi，yRi，zRi)为目标点i的第二位置信息，(xAi，yAi，zAi)为目标点i在飞机坐标系下的位置信息，即目标点i的第三位置信息。
步骤A12、根据所述M个目标点的第三位置信息，构建所述平面方程。
本实施例，将M个地面上的目标点的第二位置信息转换为第三位置信息，可以校正由于旋转微波雷达在安装时引起的偏置，使得旋转微波雷达的起始光栅刻度轴xR与无人机前向方向轴xA存在夹角
Figure BDA0002325222000000082
的问题。这样，基于M个目标点的第三位置信息，构建地面的平面方程，可以提高平面方程的构建准确性。
在一些实施例中，步骤A12的一种可能的实现方式可以包括：步骤A121：
步骤A121、以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，构建所述平面方程。
由于在测量过程中，误差主要来源于r与θ，其中，r为目标点与旋转微波雷达之间的直线距离，θ为目标点与xy平面的偏角。因此，本实施例将M个目标点的第三位置信息中，关联变量最少的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，建立平面方程。
例如，构建如公式(3)所示的一种地面的平面方程：
z＝ax+by+c
其中，a为平面方程在X轴上的截距，b为平面方程在Y轴上的截距，平面方程在Z轴上的截距为-1，c为平面方程的常数项。
在一些实施例中，步骤A121的一种可能的实现方式可以包括：步骤A1211和步骤A1212：
步骤A1211、采用最小二乘法，以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，对所述M个目标点的第三位置信息进行线性拟合处理，确定所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距。
首先，确定上述公式(3)的误差e，例如，为公式(4)所示：
e＝z-ax-by-c， (4)
接着，确定误差的优化函数Q，即确定公式(4)的优化函数，如公式(5)所示：
Figure BDA0002325222000000081
分别关于a,b,c对优化函数Q求导，得到线性方程如公式(6)所示：
Figure BDA0002325222000000091
将M个点的第三位置信息带入上述公式(6)，确定平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距，即确定a、b，其中平面方程在Z轴上的截距为-1：
Figure BDA0002325222000000092
Figure BDA0002325222000000093
其中，
Figure BDA0002325222000000094
步骤A1212、根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述M个目标点的中心点的第三位置信息，确定所述平面方程中的常数。
首先，根据M个目标点的第三位置信息，确定M个目标点的中心点1的第三位置信息，例如，中心点1的第三位置信息为
Figure BDA0002325222000000095
由于M个目标点均为地面上的点，则其的中心点也为地面上的点，满足地面的平面方式，因此，将中心点1的第三位置信息带入上述公式(4)的平面方程中，获得平面方程的参数常数项为c如公式(7)所示：
Figure BDA0002325222000000096
通过上述公式，可以获得地面的平面方式中的各系数和常数，进而可以确定出地面的平面方程。
步骤B、根据所述平面方程，确定地面的地形参数。
本实施例，通过上述方法对地面上的M个目标点的第三位置信息，进行线性拟合处理，准确确定出地面的平面方程后。基于该平面方程，确定地面的地形参数，例如，根据该平面方程，确定无人机距离地面的高度，和/或根据平面方程，确定出地面的坡度。
在一些实施例中，若地形参数为无人机距离地面的高度，则上述步骤B的一种可能的实现方式可以包括：步骤B1：
步骤B1、根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述无人机距离地面的高度。
例如，根据点到平面的距离公式(8)，可以确定出无人机上任一点到地面的平面方程之间的距离，将该距离确定为无人机到地面的高度。
Figure BDA0002325222000000101
其中，d为平面方程在Z轴上的截距，由上述可知，d＝1，因此，上述公式8可以变形为如下公式(9)：
Figure BDA0002325222000000102
这样，要确定无人机与地面的高度，可以将无人机上任一点的第三位置信息带入公式(9)中，可以确定出无人机距离地面的高度。
在一些实施例中，将旋转微波雷达的原点距离地面的高度作为无人机距离所述地面的高度，此时，上述步骤B1可以包括步骤B11和B12。
步骤B11、根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度。
步骤B12、根据所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度，确定所述无人机距离所述地面的高度。
具体的，将旋转微波雷达的原点的第三位置信息为(0,0,0)，这样将旋转微波雷达的原点第三位置信息带入上述公式(9)中，可以获得确定处旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度d为：
Figure BDA0002325222000000103
可选的，假定无人机沿x方向航线前后飞行，不涉及roll角的变化，则可以直接用上述旋转微波雷达的原点距离地面的高度d，作为无人机距离所述地面的高度。
在一些实施例中，若地形参数为地面的坡度，则上述步骤B的一种可能的实现方式可以包括：步骤B2和步骤B3：
步骤B2、将飞机坐标下的所述平面方程转换为世界坐标系下的所述平面方程。
步骤B3、根据世界坐标系下的所述平面方程，确定所述地面的坡度。
若无人机有姿态变化，使得飞机坐标系会发生变化，因此，需要将在飞机坐标系下估计的平面方程需要转到世界坐标系下。根据世界坐标系下的平面方程，确定地面的坡度。
本实施例中，地面的平面方程可以如公式(10)所示：
Figure BDA0002325222000000104
其中，
Figure BDA0002325222000000105
齐次坐标，
Figure BDA0002325222000000106
根据如下公式(11)和(12)，确定出平面方程在飞机坐标系下的法向量和平面方程在世界坐标系下的法向量
Figure BDA0002325222000000112
之间的关系：
Figure BDA0002325222000000113
Figure BDA0002325222000000114
获得的由于
Figure BDA0002325222000000116
这样，可以确定出平面方程在世界坐标系下关于X轴、Y轴和Z轴的截距常数项，即可以获得aG、bG、-1以及常数项cG。
此时，确定的无人机距离地面的高度为对应在z轴垂线上的绝对高度为
进而根据上述确定的世界坐标系下的平面方程，确定地面的坡度。
例如，根据世界坐标系下的所述平面方程在X轴的截距的反正切值，确定所述地面的坡度。即地面的坡度α＝-atanaG。
本实施例，根据N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，从中选出地面上的M个目标点，基于这M个目标点的第三位置信息，构建地面的平面方程，并基于构建的平面方程，确定无人机距离地面的高度，以及地面的坡度，进而排出了非地面点对平面方程构建过程的干扰，提高了平面方程确定的准确性。同时，从N个目标点中选择M个目标点进行地面方程的构建，降低了待处理的数据量，进而降低了计算量，提高了地面的平面方程的构建速度，从而提升了根据平面方程，确定地面的地形参数的速度。
可选的，若旋转微波雷达的雷达扫描角度过小，例如小于预设值扫描角度，此时平面模型可能会出现退化现象，导致估计的平面往垂直面偏移，使得平面方程与Y轴的截距b的分量过大，估计的距离过小。此时，将平面方程中在Y轴的截距确定为预设值，获得新的平面方程。例如，预设值为0，此时，获得新的平面方程如公式(13)所示：
z＝ax+c (13)
根据上述方法，可以确定出无人机距离地面的高度和/或地面的坡度，具体过程参照上述实施例的描述，在此不再赘述。
可选的，若旋转微波雷达旋转一周，扫描获得的有效目标点的数量过少，即上述M小于预设个数，例如M小于8，此时，可以将M个目标点的Z坐标值的平均值，作为无人机距离地面的高度，其中，M个目标点的Z坐标值为M个目标点在飞机坐标系下的位置信息中的Z坐标值。
本实施例的方法，根据上述步骤，可以准确、快速确定出坡度、无人机距离地面的高度等地形参数。
图4为本发明实施例二提供的旋转微波雷达的地形预测方法的流程图，在上述实施例的基础上，本申请实施例的方法还可以包括：
S401、获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息。
S402、将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息。
其中，上述S301和S302的具体执行过程可以参照上述实施例的描述，在此不再赘述。
S403、根据所述N个目标点的第二位置信息，构建环境地图。
本实施例中，旋转微波雷达垂直安装在无人机上，能够扫描水平面360°障碍物，获得N个目标点的位置信息，这N个目标点可以更加全面、准确地反应地面信息，这样，基于N个目标点的第二位置信息，构建环境地图其精度高，更加符合实际。
S404、在所述环境地图上进行障碍物划分。
根据上述步骤，获得环境地图后，接着，在根据旋转微波雷达当前水平360°扫描一周，获得的全局坐标信息，并基于该全局坐标信息进行形态学处理，划分障碍物，例如，如图5所示，在环境地图上分割出地面与障碍物，进而提高了无人机的避障性能，保证了无人机的安全飞行。
在一些实施例中，上述S303的一种可能的实现方式可以包括：步骤C1和步骤C2：
步骤C1、将所述N个目标点的第二位置信息转换为第四位置信息，其中，所述第四位置信息为所述目标点在世界坐标下的位置信息。
在构建环境地图时，为了防止无人机的姿态变化对目标点位置信息的影响，则需要将N个目标点中每个目标点的第二位置信息转换成在世界坐标系下的位置信息，将目标点在世界坐标系下的位置信息记为目标点的第四位置信息。
可选的，将N个目标点的第二位置信息转换为第四位置信息，可以是先将所述N个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息，其中，所述第三位置信息为所述目标点在飞机坐标系下的位置信息；接着，将所述N个目标点的第三位置信息，转换为第四位置信息。
具体的，根据上述公式(2)可以将N个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息。接着，可以基于已有的任一方式，将所述N个目标点的第三位置信息，转换为第四位置信息。
可选的，将所述N个目标点的第三位置信息，转换为第四位置信息，可以包括：获取所述无人机的四元数姿态信息和偏移量；根据所述N个目标点的第三位置信息、所述无人机的四元数姿态信息和偏移量，将所述N个目标点的第三位置信息转换为第四位置信息。
例如，获取无人机的飞控系统传输的无人机的四元数姿态信息q和飞机偏移量
Figure BDA0002325222000000131
接着，根据N个目标点的第三位置信息、无人机的四元数姿态信息和偏移量，将N个目标点的第三位置信息转换为第四位置信息。例如，根据如下公式(14)，将N个目标点的第三位置信息转换为第四位置信息：
Figure BDA0002325222000000132
其中，R(q)为无人机的旋转矩阵，(xGi，yGi，zGi)为目标点i的第四位置信息。
步骤C2、根据所述N个目标点的第四位置信息，构建所述环境地图。
根据上述步骤，获得N个目标点的第四位置信息，接着基于N个目标点的第四位置信息，构建3D点云地图，获得环境地图。其中，根据所述N个目标点的第四位置信息，构建环境地图的方法，可以采集已有的方法构建，在此不再赘述。
本实施例的方法，通过根据N个目标点的第二位置信息，构建环境地图，并在构建的环境地图上进行障碍物划分，进而实现无人机的360°避障，从而提高了无人机的飞行安全性。
图6本发明实施例提供的旋转微波雷达的控制系统的一种结构示意图，如图6所示，本实施例的旋转微波雷达的控制系统600可以包括：存储器601和处理器602；上述存储器601和处理器602通过总线连接。存储器601可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器602提供指令和数据。存储器601的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。
所述存储器601，用于存储程序代码；
所述处理器602，调用所述程序代码，当程序代码被执行时，用于执行以下操作：
获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中，所述N为正整数，所述旋转微波雷达安装在无人机上，并且所述旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置；所述第一位置信息为目标点相对于所述旋转微波雷达的直线距离；
将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，其中，第二位置信息为目标点在可移动载体的坐标系中的坐标信息；
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，所述地形参数包括以下至少一种：坡度、所述无人机距离所述地面的高度。
可选的，所述N个目标点的第一位置信息为所述旋转微波雷达对水平面360度扫描采集的，所述雷达扫描角度为所述旋转微波雷达相较于0度起始位置转动的绝对角度。
可选的，所述旋转微波雷达的0度起始位置相较于大地的水平面平行设置。
可选的，所述可移动载体为无人飞行器、遥控车辆、或手持云台。
可选的，所述第二位置信息为目标点在可移动载体为原点的笛卡尔坐标系中的坐标信息。
可选的，所述处理器602，具体用于：
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，构建地面的平面方程；
根据所述平面方程，确定地面的地形参数。
可选的，所述处理器602，具体用于：
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，从所述N个目标点中确定M个目标点，其中，所述M为小于或等于N的正整数；
根据所述M个目标点的位置信息，构建平面方程。
可选的，所述处理器602，具体用于：
从所述N个目标点中获取第二位置信息和雷达扫描角度满足预设条件的M个目标点。
可选的，所述处理器602，具体用于：
将所述M个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息，其中，所述第三位置信息为所述目标点在飞机坐标系中的位置信息；
根据所述M个目标点的第三位置信息，构建所述平面方程。
可选的，所述处理器602，具体用于：
以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，构建所述平面方程。
可选的，所述处理器602，具体用于：
采用最小二乘法，以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，对所述M个目标点的第三位置信息进行线性拟合处理，确定所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距；
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述M个目标点的中心点的第三位置信息，确定所述平面方程中的常数。
可选的，所述处理器602，具体用于：
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述无人机距离地面的高度。
可选的，所述处理器602，具体用于：
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度；
根据所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度，确定所述无人机距离所述地面的高度。
可选的，所述处理器602，具体用于：
将飞机坐标下的所述平面方程转换为世界坐标系下的所述平面方程；
根据世界坐标系下的所述平面方程，确定所述地面的坡度。
可选的，所述处理器602，具体用于：
根据世界坐标系下的所述平面方程在X轴的截距的反正切值，确定所述地面的坡度。
可选的，所述处理器602，还用于：
若所述旋转微波雷达的雷达扫描角度小于预设值扫描角度，则将所述平面方程中在Y轴的截距确定为预设值，获得新的平面方程；
根据所述新的平面方程，确定所述无人机距离地面的高度和/或所述地面的坡度。
可选的，所述处理器602，还用于：
若所述M小于预设个数，则将所述M个目标点的Z坐标值的平均值，作为所述无人机距离所述地面的高度。
可选的，所述处理器602，还用于：根据所述N个目标点的第二位置信息，构建环境地图。
可选的，所述处理器602，还用于：
在所述环境地图上进行障碍物划分。
可选的，所述处理器602，具体用于：
将所述N个目标点的第二位置信息转换为第四位置信息，其中，所述第四位置信息为所述目标点在世界坐标下的位置信息；
根据所述N个目标点的第四位置信息，构建所述环境地图。
可选的，所述处理器602，具体用于：
将所述N个目标点的第二位置信息，转换为飞机坐标系下的位置信息；
将所述N个目标点在飞机坐标系下的位置信息，转换为世界坐标系下的位置信息。
可选的，所述处理器602，具体用于：
获取所述无人机的四元数姿态信息和偏移量；
根据所述N个目标点的第三位置信息、所述无人机的四元数姿态信息和偏移量，将所述N个目标点的第三位置信息转换为第四位置信息。
可选的，本实施例的旋转微波雷达的控制系统可以为旋转微波雷达，或者，所述系统为无人机，或者，所述系统为无人机的控制终端。
本实施例的旋转微波雷达的控制系统，可以用于执行本发明上述方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图7为本发明实施例提供的雷达探测装置的一种结构示意图，如图6所示，本实施例的雷达探测装置700包括：天线装置701和旋转微波雷达的控制系统702。所述旋转微波雷达的控制系统702与所述天线装置701通信连接。其中，旋转微波雷达的控制系统702可以采用图6所示实施例的结构，其对应地，可以执行如图2和图4及其对应实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。可选的，天线装置701可以为旋转微波雷达。
图8为本发明实施例提供的无人机的一种结构示意图，如图8所示，本实施例的无人机800包括：机架(图中未示出)、飞行控制系统801和雷达探测装置802，其中，雷达探测装置802可以采用图7所示实施例的结构，其对应地，可以执行如图2和图4及其对应实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。其中，雷达探测装置802中的旋转微波雷达搭载在所述机架上。所述飞行控制系统801与所述雷达探测装置802通信连接，以获取地形参数，所述飞行控制系统801根据所述地形参数控制所述无人机800。
可选地，若地面的地形参数包括地面的坡度，则飞行控制系统801可以根据地面的坡度控制无人机800后续的动作。
可选地，若地面的地形参数包括地面的平整度，则飞行控制系统801可以根据地面的平整度控制无人机800的定高和/或控制无人机800避障。
可选地，若地面的地形参数包括：无人机距离地面的高度值，则飞行控制系统801可以根据无人机距离地面的高度值，进行避障，例如：避免无人机800碰撞到地面农作物，另外，还可以控制无人机800进行精确喷洒，因为喷洒时，需要定高喷洒。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：只读内存(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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 (47)

1.一种旋转微波雷达的地形预测方法，其特征在于，包括：
获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中，所述N为正整数，所述旋转微波雷达安装在无人机上，并且所述旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置；所述第一位置信息为目标点相对于所述旋转微波雷达的直线距离；
将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，其中，第二位置信息为目标点在可移动载体的坐标系中的坐标信息；
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，所述地形参数包括以下至少一种：坡度、所述无人机距离所述地面的高度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N个目标点的第一位置信息为所述旋转微波雷达对水平面360度扫描采集的，所述雷达扫描角度为所述旋转微波雷达相较于0度起始位置转动的绝对角度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转微波雷达的0度起始位置相较于大地的水平面平行设置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述可移动载体为无人飞行器、遥控车辆、或手持云台。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述第二位置信息为目标点在可移动载体为原点的笛卡尔坐标系中的坐标信息。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，包括：
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，构建地面的平面方程；
根据所述平面方程，确定地面的地形参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，构建地面的平面方程，包括：
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，从所述N个目标点中确定M个目标点，其中，所述M为小于或等于N的正整数；
根据所述M个目标点的第二位置信息，构建平面方程。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，从所述N个目标点中确定M个目标点，包括：
从所述N个目标点中获取第二位置信息和雷达扫描角度满足预设条件的M个目标点。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述M个目标点的第二位置信息，构建平面方程，包括：
将所述M个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息，其中，所述第三位置信息为所述目标点在飞机坐标系中的位置信息；
根据所述M个目标点的第三位置信息，构建所述平面方程。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述M个目标点的第三位置信息，构建所述平面方程，包括：
以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，构建所述平面方程。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，构建所述平面方程，包括：
采用最小二乘法，以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，对所述M个目标点的第三位置信息进行线性拟合处理，确定所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距；
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述M个目标点的中心点的第三位置信息，确定所述平面方程中的常数。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，根据所述平面方程，确定地面的地形参数，包括：
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述无人机距离地面的高度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述无人机距离地面的高度，包括：
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度；
根据所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度，确定所述无人机距离所述地面的高度。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据所述平面方程，确定所述地面的坡度，包括：
将飞机坐标下的所述平面方程转换为世界坐标系下的所述平面方程；
根据世界坐标系下的所述平面方程，确定所述地面的坡度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述根据世界坐标系下的所述平面方程，确定所述地面的坡度，包括：
根据世界坐标系下的所述平面方程在X轴的截距的反正切值，确定所述地面的坡度。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述旋转微波雷达的雷达扫描角度小于预设值扫描角度，则将所述平面方程中在Y轴的截距确定为预设值，获得新的平面方程；
根据所述新的平面方程，确定所述无人机距离地面的高度和/或所述地面的坡度。
17.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述M小于预设个数，则将所述M个目标点的Z坐标值的平均值，作为所述无人机距离所述地面的高度。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述N个目标点的第二位置信息，构建环境地图。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述环境地图上进行障碍物划分。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述根据所述N个目标点的第二位置信息，构建环境地图，包括：
将所述N个目标点的第二位置信息转换为第四位置信息，其中，所述第四位置信息为所述目标点在世界坐标下的位置信息；
根据所述N个目标点的第四位置信息，构建所述环境地图。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述将所述N个目标点的第二位置信息转换为第四位置信息，包括：
将所述N个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息，其中，所述第三位置信息为所述目标点在飞机坐标系下的位置信息；
将所述N个目标点的第三位置信息，转换为第四位置信息。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述将所述N个目标点的第三位置信息，转换为第四位置信息，包括：
获取所述无人机的四元数姿态信息和偏移量；
根据所述N个目标点的第三位置信息、所述无人机的四元数姿态信息和偏移量，将所述N个目标点的第三位置信息转换为第四位置信息。
23.一种旋转微波雷达的控制系统，其特征在于，包括：存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序代码；
所述处理器，调用所述程序代码，当程序代码被执行时，用于执行以下操作：
获取旋转微波雷达在旋转过程中测量的N个目标点的第一位置信息以及雷达扫描角度，其中，所述N为正整数，所述旋转微波雷达安装在无人机上，并且所述旋转微波雷达的旋转轴垂直于无人机的航向轴设置；所述第一位置信息为目标点相对于所述旋转微波雷达的直线距离；
将所述N个目标点的第一位置信息，转换为第二位置信息，其中，第二位置信息为目标点在可移动载体的坐标系中的坐标信息；
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，确定地面的地形参数，所述地形参数包括以下至少一种：坡度、所述无人机距离所述地面的高度。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述N个目标点的第一位置信息为所述旋转微波雷达对水平面360度扫描采集的，所述雷达扫描角度为所述旋转微波雷达相较于0度起始位置转动的绝对角度。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述旋转微波雷达的0度起始位置相较于大地的水平面平行设置。
26.根据权利要求23-25任一项所述的系统，其特征在于，所述可移动载体为无人飞行器、遥控车辆、或手持云台。
27.根据权利要求23-25任一项所述的系统，其特征在于，所述第二位置信息为目标点在可移动载体为原点的笛卡尔坐标系中的坐标信息。
28.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，构建地面的平面方程；
根据所述平面方程，确定地面的地形参数。
29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
根据所述N个目标点的第二位置信息和雷达扫描角度，从所述N个目标点中确定M个目标点，其中，所述M为小于或等于N的正整数；
根据所述M个目标点的位置信息，构建平面方程。
30.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
从所述N个目标点中获取第二位置信息和雷达扫描角度满足预设条件的M个目标点。
31.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
将所述M个目标点的第二位置信息，转换为第三位置信息，其中，所述第三位置信息为所述目标点在飞机坐标系中的位置信息；
根据所述M个目标点的第三位置信息，构建所述平面方程。
32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，构建所述平面方程。
33.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
采用最小二乘法，以所述M个目标点的第三位置信息中的Z坐标值为因变量，X坐标值和Y坐标值为自变量，对所述M个目标点的第三位置信息进行线性拟合处理，确定所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距；
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述M个目标点的中心点的第三位置信息，确定所述平面方程中的常数。
34.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述无人机距离地面的高度。
35.根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
根据所述平面方程分别在X、Y、Z轴上的截距以及所述常数，确定所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度；
根据所述旋转微波雷达的原点距离所述地面的高度，确定所述无人机距离所述地面的高度。
36.根据权利要求33所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
将飞机坐标下的所述平面方程转换为世界坐标系下的所述平面方程；
根据世界坐标系下的所述平面方程，确定所述地面的坡度。
37.根据权利要求36所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
根据世界坐标系下的所述平面方程在X轴的截距的反正切值，确定所述地面的坡度。
38.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述处理器，还用于：
若所述旋转微波雷达的雷达扫描角度小于预设值扫描角度，则将所述平面方程中在Y轴的截距确定为预设值，获得新的平面方程；
根据所述新的平面方程，确定所述无人机距离地面的高度和/或所述地面的坡度。
39.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述处理器，还用于：
若所述M小于预设个数，则将所述M个目标点的Z坐标值的平均值，作为所述无人机距离所述地面的高度。
40.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述处理器，还用于：根据所述N个目标点的第二位置信息，构建环境地图。
41.根据权利要求40所述的系统，其特征在于，所述处理器，还用于：
在所述环境地图上进行障碍物划分。
42.根据权利要求40或41所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
将所述N个目标点的第二位置信息转换为第四位置信息，其中，所述第四位置信息为所述目标点在世界坐标下的位置信息；
根据所述N个目标点的第四位置信息，构建所述环境地图。
43.根据权利要求41所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
将所述N个目标点的第二位置信息，转换为飞机坐标系下的位置信息；
将所述N个目标点在飞机坐标系下的位置信息，转换为世界坐标系下的位置信息。
44.根据权利要求30或43所述的系统，其特征在于，所述处理器，具体用于：
获取所述无人机的四元数姿态信息和偏移量；
根据所述N个目标点的第三位置信息、所述无人机的四元数姿态信息和偏移量，将所述N个目标点的第三位置信息转换为第四位置信息。
45.根据权利要求23-44任一项所述的系统，其特征在于，所述系统为旋转微波雷达，或者，所述系统为无人机，或者，所述系统为无人机的控制终端。
46.一种雷达探测装置，其特征在于，包括：天线装置以及权利要求23-45任意一项所述的控制系统，所述控制系统与所述天线装置通信连接。
47.一种无人机，其特征在于，包括：机架、飞行控制系统和以及权利要求46所述的雷达探测装置，所述旋转微波雷达搭载在所述机架上，
所述飞行控制系统与所述雷达探测装置通信连接，以获取所述地形参数，所述飞行控制系统根据所述地形参数控制所述无人机。
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