CN110864682A - 无人机安全返航路线规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机安全返航路线规划方法，包括以下步骤：建立直角坐标系、确定航线方位角、查找方位角范围内的高程数字地图、无人机存储标记和对应的角度值和失联无人机自动规划安全路径，本发明的无人机安全返航路线规划方法，在无人机起飞前通过地面PC端根据相应的参数制作出高程查找表并传输至无人机进行存储，在无人机失联后可通过计算选择一条安全的路径作为返航路线，解决了无人机无法确定地面高程导致无人机坠毁的问题；同时也解决了无人机无法存储大面积的高程数字地图问题。

Description

无人机安全返航路线规划方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其是一种无人机安全返航路线规划方法。
背景技术
近年来，无人机的生产和应用在国内外得到了蓬勃发展，无人机在各个领域的应用越来越广泛，例如测绘、监控、农业植保、交通巡检等。无人机系统通常包括无人机以及地面基站，其工作原理是基站通过无线链路与无人机通信，无人机起飞之前需要将航线发生给无人机，无人机飞行过程中需要监控无人机的状态以及发送控制指令等。但是由于当前技术的原因，基站和无人机之间的链路可能失效(例如电磁干扰、距离超限以及基站损坏等)，此时无人机会处于失联模式。失联模式下无人机的各项状态都处于未知，这种情况比较危险。因此，多数无人机厂家都会设计失联模式下无人机的后续行为，现有的后续行为主要包括两种方式：失联返航和原地盘旋。
原地盘旋受无人机蓄电池的限制，盘旋时间短，无人机电源耗尽就会坠毁，具有一定的局限性；因此，多数厂家会设置无人机失联超过一定时间后无人机立即返航，返航路线为无人机失联位置与起飞点的连线的直线。这种情况下，无人机不知道返航路线上的高程数字地图，也就是当返航路线上的高山或建筑物的高度大于无人机飞行的高度，使无人机撞击高山或建筑物，轻则导致无人机坠毁，重则危害地面人身和财产安全。
此外，由于无人机自身的计算资源有限，通常不会存储大面积的高程数字地图，因为大面积的高程数字地图通常要占用大量的存储空间，而且访问高程数字地图比较耗费资源和计算能力。
发明内容
本发明为解决失联无人机返航路线中高程数字地图无法确定和无法大面积存储高程数字地图的技术问题是提供一种无人机安全返航路线规划方法。
本发明所采用的技术方案是：无人机安全返航路线规划方法，包括以下步骤：
a建立直角坐标系：无人机起飞前，在地面上PC端规划出起飞点、航线A、和航线高度，以航线高度所在的平面为基准面和以起飞点在航线高度所在平面的正投影为原点P建立直角坐标系；
b确定航线方位角：在直角坐标系中作出一个方位角γ，确保航线A在方位角的范围内，方位角γ的两条边与y轴的正向形成两个夹角(α、β)，α＜β；
c查找方位角范围内的高程数字地图：选择一个角度增量δ，以α为起始角，每次增加角度增量δ，然后以新的角度(α+N*δ，N为递增次数且N为自然数)为方向矢量，并找出该方向矢量与航线A的交点，然后查询该交点与原点P连线之间对应的高程数字地图并记录，反复执行步骤c，直到航线方位角γ范围内每一个角度增量δ所在方向矢量对应的高程数字地图都得到，所述角度增量δ的范围为：0°＜δ＜γ；
d无人机存储标记和对应的角度值：将步骤c中获取的每个角度增量δ所在方向矢量对应的地面最大高程值与航线A的高度进行比较；如果角度值所在方向矢量的高程数字地图大于航线高度，标记为危险；如果角度值所在方向矢量的高程数字地图小于航线高度，标记为安全；将标记和标记对应角度值传送至无人机进行存储；
e失联无人机自动规划安全路径：无人机起飞失联后，无人机根据原点P和以及自身当前位置，通过计算得到当前的角度，计算与当前角度最接近的角度值并查找角度值对应的标记；如果标记位为安全，则说明该方位角对应的航线安全，可以沿此航线返航；如果标记位为危险，则再次计算新的方位角度值，直到找到前进方向最临近的标记为安全的方位角度值，则无人机以该点与原点P连线为路径，自动返回起飞点。
高程数字地图为地面建筑物的高度，高程数字地图存储在地面PC端，在无人机起飞前，依据起飞点P、航线A和航线高度建立直角坐标系，并作出航线的方位角γ，确保航线A在方位角的范围内，因此可对整个航线范围内的高程值进行查找比较；并通过定义一个角度增量δ；通过PC端比较不同角度增量δ下角度值对应的高程数字地图，并对其进行标记，将标记和标记对应的角度值传输至无人机进行存储，传输完成后就可完成无人机的起飞。相比于传统方式而言，本发明不需要将大量的高程数字地图直接存储到无人机上，解决了无人机自身的计算资源有限的技术问题。无人机起飞失联后，无人机根据原点P和以及自身当前位置，通过计算得到当前的方位角，计算与当前方位角最接近的角度值并查找该角度值对应的标记；如果标记位为安全，则说明该方位角对应的航线安全，可以沿此航线返航；如果标记位为危险，则再次计算新的方位角度值，直到找到前进方向最临近的标记为安全的方位角度值，则无人机以该点与原点P连线为路径，自动返回起飞点。相比于传统无人机失联后原地盘旋的方式而言，本发明可通过无人机失联位置规划出标记为安全的路径进行返航，避免蓄电池的损耗导致坠机的风险，同时也可成功避开返程路径上的高山或建筑物。
进一步的是，所述步骤b中，方位角γ的两条边与航线相切，所述α为最小方位角，所述最小方位角为航线上的点和原点(P)连线与y轴正向夹角为最小角度的角度；所述β为最大方位角，所述最大方位角为航线A上的点和原点P连线与y轴正向夹角为最大角度的角度。该方式既能保证所有航线内的高程数字地图均被记录，同时也避免计算航线外的高程数字地图，减少了大量工作，提高了工作效率，且减少了无人机的存储量。
进一步的是，所述步骤c中，角度增量δ的方向矢量与航线A的交点为航线A远离原点P最远端的交点。航线可能是来回弯曲的路径，这就使得角度增量δ的方向矢量与航线的交点个数为多个，为了保证能够全面的检测航线内的高程数字地图，确保无人机失联后安全返程，因此选用距离起飞点最远的交点。
进一步的是，所述步骤c中，角度增量δ的范围为：0.1°＜δ＜1°。可根据不同无人机的计算能力强弱选择合适的角度增量δ，计算能力强的大型无人机可以选择0.1°，更加精密的查询该方向矢量上对应的高程数字地图，从而使得返航路径更短或者更小，计算能力弱的小型无人机可以选择1°，可能会使得返航路径更长。
进一步的是，所述角度增量δ为：0.5°。
进一步的是，所述步骤d中，采用二进制方式对危险和安全进行标记，将危险标记为1，将安全标记为0。采用二进制方式可靠性高，二进制中只使用0和1两个数字，传输和处理时不易出错，因而可以保障无人机返航的可靠性；同时运算规则简单，二进制数的运算规则要简单，这不仅可以使运算器的结构得到简化，而且有利于提高运算速度，使得无人机可根据角度值更加快速的找到标记，保证无人机的续航能力，避免无人机电能耗尽发生坠毁的情况。
进一步的是，将标记和对应的角度值制作成为高程查找表：
表1：高程查找表
标记 0 0 1 … 0 0
角度值 α α+δ α+2*δ … α+N*δ β
表中，N为递增次数且N为自然数。
将标记和对应的角度值制作成为高程查找表，可使无人机更加快速的找到角度值对应的标记，从而快速的判断返程航线的安全与否，保证无人机安全返航。
本发明的有益效果是：
1、本发明的无人机安全返航路线规划方法，在无人机起飞前通过地面PC端根据相应的参数计算出不同角度值及其对应的标记并存储与无人机，在无人机失联后可通过计算选择一条安全的路径作为返航路线，解决了无人机无法确定高程数字地图导致无人机坠毁的问题；同时也解决了无人机无法存储大面积的高程数字地图的问题。
2、本发明方位角γ的两条边与航线相切，既能保证所有航线内的高程数字地图均被记录，同时也避免计算航线外的高程数字地图，减少了大量工作，提高了工作效率，且减少了无人机的存储量。
3、本发明采用二进制方式对危险和安全进行标记并制作出高程查找表，可以保障无人机返航的可靠性；同时运算规则简单，可以使运算器的结构得到简化，而且有利于提高运算速度，使得无人机可根据角度值更加快速的找到标记，保证无人机的续航能力，避免无人机电能耗尽发生坠毁的情况。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图。
图2是实施例三的结构示意图。
图3是方位角一种情况示意图。
图4是方位角另一种情况的示意图。
图中标记为：
P、原点；A、航线；B、航线起点；C、航线终点；δ、角度增量；γ、方位角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例一：
如图1和图2所示，本发明的无人机安全返航路线规划方法，包括以下步骤：
a建立直角坐标系：无人机起飞前，在地面上PC端规划出起飞点、航线A、和航线高度，以航线高度所在的平面为基准面和以起飞点在航线高度所在平面的正投影为原点P建立直角坐标系；
b确定航线方位角：在直角坐标系中作出一个方位角γ，确保航线A在方位角的范围内，方位角γ的两条边与y轴的正向形成两个夹角(α、β)，α＜β；
c查找方位角范围内的高程数字地图：选择一个角度增量δ，所述角度增量δ为：0.5°；以α为起始角，每次增加角度增量δ，然后以新的角度(α+N*δ，N为递增次数且N为自然数)为方向矢量，并找出该方向矢量与航线A的交点，然后查询该交点与原点P连线之间对应的高程数字地图并记录，反复执行上述步骤，直到航线方位角γ范围内每一个角度增量δ所在方向矢量对应的高程数字地图都得到；
d无人机存储标记和对应的角度值：将步骤c中获取的每个角度增量δ所在方向矢量对应的地面最大高程值与航线A的高度进行比较；如果角度值所在方向矢量的高程数字地图大于航线高度，标记为危险；如果角度值所在方向矢量的高程数字地图小于航线高度，标记为安全；将标记和标记对应角度值传送至无人机进行存储；
e失联无人机自动规划安全路径：无人机起飞失联后，无人机根据原点P和以及自身当前位置，通过计算得到当前的角度，计算与当前角度最接近的角度值并查找角度值对应的标记；如果标记位为安全，则说明该方位角对应的航线安全，可以沿此航线返航；如果标记位为危险，则再次计算新的方位角度值，直到找到前进方向最临近的标记为安全的方位角度值，则无人机以该点与原点P连线为路径，自动返回起飞点。
工作原理：无人机起飞后在E点失联，无人机根据原点P和E点，通过计算PE的方位角为θ，计算与当前方位角θ最接近的角度值α+N*θ，并找出该角度值对应的标记，查询得到标记为危险，说明该角度值对应的航线有撞击危险；在无人机航线前进的方向上重新计算方位角ε的角度值α+(N+1)*θ，并找出该角度值对应的标记，查询得到标记为安全，该方位角与航线的交点为F，则PF为安全的返航路径，无人机沿PY自动返回起点即可。相比于传统方式而言，本发明不需要将大量的高程数字地图直接存储到无人机上，解决了无人机自身的计算资源有限的技术问题；本发明可通过无人机失联位置规划出标记为安全的路径进行返航，避免蓄电池的损耗导致坠机的风险，同时也可成功避开返程路径上的高山或建筑物。
实施例二：
如图1、图2和图3所示，本实施例是在实施例一的基础上作出的进一步改进，所述步骤b中，方位角γ的两条边与航线相切，所述α为最小方位角，所述最小方位角为航线上的点和原点P连线与y轴正向夹角为最小角度的角度；所述β为最大方位角，所述最大方位角为航线A上的点和原点P连线与y轴正向夹角为最大角度的角度。
工作原理：图1和图2示出了一种情况，最小方位角α为原点P和航线起点B连线与y轴正向的夹角；最大方位角β为原点P和航线终点C连线与y轴正向的夹角；
图3示出了另一种情况，最小方位角α为原点P和航线中G点连线与y轴正向的夹角；最大方位角β为原点P和航线中H点与y轴正向的夹角；
上述两种情况既能保证所有航线内的高程数字地图均被记录，同时也避免计算航线外的高程数字地图，减少了大量工作，提高了工作效率，且减少了无人机的存储量。
实施例三：
本实施例是在实施例一的基础上作出的进一步改进，所述步骤c中，角度增量δ的方向矢量与航线A的交点为航线A远离原点P最远端的交点。
工作原理：如图2所示，航线是来回弯曲的路径，当角度为η时，该角度的方向矢量与航线有5个交点(D、D1、D2、D3、D4)为了保证能够全面的检测航线内的高程数字地图，因此选用距离起飞点最远的交点D4。
实施例四：
本实施例是在实施例一的基础上作出的进一步改进，所述步骤d中，采用二进制方式对危险和安全进行标记，将危险标记为1，将安全标记为0。
将标记和对应的角度值制作成为高程查找表：
表1：高程查找表
标记 0 0 1 … 0 0
角度值 α α+δ α+2*δ … α+N*δ β
表中，N为递增次数且N为自然数。
工作原理：采用二进制方式可靠性高，二进制中只使用0和1两个数字，传输和处理时不易出错，因而可以保障无人机返航的可靠性；同时运算规则简单，二进制数的运算规则要简单，这不仅可以使运算器的结构得到简化，而且有利于提高运算速度，使得无人机可根据角度值更加快速的找到标记，保证无人机的续航能力，避免无人机电能耗尽发生坠毁的情况。将标记和对应的角度值制作成为高程查找表，可使无人机更加快速的找到角度值对应的标记，从而快速的判断返程航线的安全与否，保证无人机安全返航。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
a建立直角坐标系：无人机起飞前，在地面上PC端规划出起飞点、航线(A)、和航线高度，以航线高度所在的平面为基准面和以起飞点在航线高度所在平面的正投影为原点(P)建立直角坐标系；
b确定航线方位角：在直角坐标系中作出一个方位角(γ)，确保航线(A)在方位角的范围内，方位角(γ)的两条边与y轴的正向形成两个夹角(α、β)，α＜β；
c查找方位角范围内的高程数字地图：选择一个角度增量(δ),，以(α)为起始角，每次增加角度增量(δ)，然后以新的角度(α+N*δ，N为递增次数且N为自然数)为方向矢量，并找出该方向矢量与航线(A)的交点，然后查询该交点与原点(P)连线之间对应的高程数字地图并记录，反复执行步骤c，直到航线方位角(γ)范围内每一个角度增量(δ)所在方向矢量对应的高程数字地图都得到,所述角度增量(δ)的范围为：0°＜δ＜γ；
d无人机存储标记和对应的角度值：将步骤c中获取的每个角度增量(δ)所在方向矢量对应的地面最大高程值与航线(A)的高度进行比较；如果角度值所在方向矢量的高程数字地图大于航线高度，标记为危险；如果角度值所在方向矢量的高程数字地图小于航线高度，标记为安全；将标记和标记对应角度值传送至无人机进行存储；
e失联无人机自动规划安全路径：无人机起飞失联后，无人机根据原点(P)和以及自身当前位置，通过计算得到当前的角度，计算与当前角度最接近的角度值并查找角度值对应的标记；如果标记位为安全，则说明该方位角对应的航线安全，可以沿此航线返航；如果标记位为危险，则再次计算新的方位角度值，直到找到前进方向最临近的标记为安全的方位角度值，则无人机以该点与原点(P)连线为路径，自动返回起飞点。
2.如权利要求1所述的无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：所述步骤b中，方位角(γ)的两条边与航线相切，所述α为最小方位角，所述最小方位角为航线上的点和原点(P)连线与y轴正向夹角为最小角度的角度；所述β为最大方位角，所述最大方位角为航线(A)上的点和原点(P)连线与y轴正向夹角为最大角度的角度。
3.如权利要求1所述的无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：所述步骤c中，角度增量(δ)的方向矢量与航线(A)的交点为航线(A)远离原点(P)最远端的交点。
4.如权利要求1所述的无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：所述步骤c中，角度增量(δ)的范围为：0.1°＜δ＜1°。
5.如权利要求4所述的无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：所述角度增量(δ)为：0.5°。
6.如权利要求1所述的无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：所述步骤d中，采用二进制方式对危险和安全进行标记，将危险标记为1，将安全标记为0。
7.如权利要求6所述的无人机安全返航路线规划方法，其特征在于：将标记和对应的角度值制作成为高程查找表并传送至无人机进行存储：
表1：高程查找表
标记 0 0 1 … 0 0 角度值 α α+δ α+2*δ … α+N*δ β
表中，N为递增次数且N为自然数。
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