CN113257045A - 一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，包括如下步骤：步骤S1，根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏；步骤S2，实时计算无人机与电子围栏各个围栏边界的距离，通过比较得到无人机与电子围栏的最短距离，并通过比较最短距离与相应阈值判断是否需要进行电子围栏处置逻辑；步骤S3，当需要进行电子围栏处置逻辑时，根据电子围栏的围栏属性选择相应的电子围栏处置逻辑。本发明可以实现大型固定翼无人机电子围栏保护功能，通过计算与电子围栏的最短距离并与阈值比较来提前预判并自动进入电子围栏处置，使得无人机能够提前机动转弯，从而解决大型无人机由于自身转弯坡度和飞行速度可能导致飞出电子围栏限制的问题。

Description

一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法
技术领域
本发明涉及无人机管控技术领域，具体而言，涉及一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法。
背景技术
当前大型固定翼无人机无论在军事领域还是高空侦查、气象勘探、森林防火等领域均得到了广泛应有。为了保证无人机不会误飞到禁飞区域，误飞出空域或国界外，提前加载界定区域对无人机所飞区域进行限制是非常必要的，一旦无人机接近所规定的禁飞边界则无人机自动调整航向位置，避免飞出规定区域。
当前大型无人机在起飞前或飞行过程中，通过地面站上传飞行航路至飞管计算机，以供无人机起降及执行任务，基于该传输方式，可在地面站根据空域、禁飞区或国界等编辑好电子围栏，上传至无人机，无人机通过实时解算围栏边界及无人机自身位置信息进行电子围栏保护。目前大型固定翼无人机横滚机动时均采用协调转弯控制，当需要快速调整航向时飞行轨迹为圆弧状，飞行轨迹的长短取决于自身的转弯坡度及飞行速度。针对该大型固定翼无人机机动特点，为确保无人机不会飞出电子围栏限制，需要一种先进的算法来实现无人机提前预判并自动处置，使得无人机提前机动转弯保证不会飞出电子围栏边界或误入禁飞区。
发明内容
本发明旨在提供一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，以解决大型无人机由于自身转弯坡度和飞行速度可能导致飞出电子围栏限制的问题。
本发明提供的一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏；
步骤S2，实时计算无人机与电子围栏各个围栏边界的距离，通过比较得到无人机与电子围栏的最短距离，并通过比较最短距离与相应阈值判断是否需要进行电子围栏处置逻辑；
步骤S3，当需要进行电子围栏处置逻辑时，根据电子围栏的围栏属性选择相应的电子围栏处置逻辑。
进一步的，步骤S1中所述根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏的方法为：在限飞区或禁飞区的边界找到若干个围栏点，采用直线段按顺序连接各个围栏点构成闭合的围栏区域，连接各个围栏点的直线段即为围栏边界，从而得到对应限飞区域的限飞区电子围栏和对应禁飞区的禁飞区电子围栏；所述电子围栏的每个围栏点具有的信息包括围栏点所在的经度和纬度，以及围栏点号。
进一步的，步骤S2包括如下子步骤：
步骤S21，将无人机投影到围栏边界所在直线上；
步骤S22，通过无人机的经度和纬度与围栏边界的两个围栏点的经度和纬度，计算无人机到该围栏边界的纵向距和横向距；
步骤S23，利用无人机到该围栏边界的纵向距和横向距计算无人机到该围栏边界的距离；
步骤S24，按照步骤S21～步骤S23实时计算无人机与电子围栏的每个围栏边界的距离，并通过比较无人机与电子围栏的每个围栏边界的距离，得到无人机与电子围栏的最短距离；
步骤S25，通过比较最短距离与相应阈值判断是否进行电子围栏处置逻辑。
进一步的，步骤S23中所述利用无人机到该围栏边界的纵向距和横向距计算无人机到该围栏边界的距离的方法为：
通过计算得到的无人机到该围栏边界的横向距，判断无人机投影到围栏边界所在直线上的位置是否在该围栏边界的两个围栏点之间：
（1）若无人机投影到围栏边界所在直线上的位置不在该围栏边界的两个围栏点之间，则通过无人机距该围栏边界的两个围栏点的距离区分两个围栏点中的近端点和远端点；则以无人机到远端点的距离作为无人机到该围栏边界的距离，该无人机到远端点的距离为纵向距和横向距的平方和再开平方；
（2）若无人机投影到围栏边界所在直线上的位置在该围栏边界的两个围栏点之间，则无人机到该围栏边界的距离为纵向距。
进一步的，步骤S25中所述通过比较最短距离与相应阈值判断是否进行电子围栏处置逻辑的方法为：设阈值为X，当无人机与电子围栏的最短距离小于阈值X后自动进入电子围栏处置。
进一步的，所述阈值X采用如下方法确定：
X=R+L；
R=2Vt/(g×tanф)；
L=T×Vt；
其中，R表示无人机转弯半径，Vt表示无人机最大真空速；g表示重力常数，ф表示无人机可以使用的最大滚转角度；T表示执行步骤S2的间隔时间。
进一步的，步骤S3中所述根据电子围栏的围栏属性选择相应的电子围栏处置逻辑的方法为：
若电子围栏是限飞区电子围栏，则执行原路返回处置逻辑；
若电子围栏是禁飞区电子围栏，则执行绕飞处置逻辑。
进一步的，所述原路返回处置逻辑为：
（1）当无人机由起飞阶段转为巡航阶段时，记录无人机的当前位置作为第一个原路返回点；之后，当无人机的位置距离之前记录的原路返回点距离大于2倍阈值X后记录下一个原路返回点，依次将记录的原路返回点保存到原路返回航路中；
（2）当无人机与限飞区电子围栏的最短距离小于阈值X后自动进入原路返回处置：即无人机转为自主飞行，在无人工干预情况下沿原路返回航路返回到记录的第一个原路返回点，飞完原路返回航路后开始进场着陆。
进一步的，所述绕飞处置逻辑为：开始绕飞处置后，在禁飞区电子围栏的若干个围栏点外围距离阈值X处生成若干个临时航路点，并由所有临时航路点形成临时航路；然后使无人机沿该临时航路航路自主飞行绕飞过禁飞区电子围栏；其中，临时航路的终点为无人机当前航迹延长线穿越禁飞区电子围栏后与临时航路的交点。
进一步的，进行绕飞处置时，分别计算无人机从左侧和右侧沿生成的临时航路点依次飞行到达终点的路径，选择距离短的路径作为绕飞处置的临时航路，无人机沿该临时航路航路自主飞行绕飞过禁飞区电子围栏。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明可以实现大型固定翼无人机电子围栏保护功能，通过计算与电子围栏的最短距离并与阈值比较来提前预判并自动进入电子围栏处置，由此使得无人机能够提前机动转弯，从而能够解决大型无人机由于自身转弯坡度和飞行速度可能导致飞出电子围栏限制的问题。
2、本发明中电子围栏包括禁飞区电子围栏和限飞区电子围栏，均为闭合形式：禁飞区电子围栏将禁飞区包围其中，不允许无人机飞到该区域内；限飞区电子围栏将无人机整个允许飞行空域包围其中，限制无人机仅在该区域内飞行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例中基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法的流程图。
图2a为本发明实施例中无人机投影到围栏边界所在直线上的位置不在该围栏边界的两个围栏点之间的示意图。
图2b为本发明实施例中无人机投影到围栏边界所在直线上的位置在该围栏边界的两个围栏点之间的示意图。
图3为本发明实施例中原路返回处置逻辑的原理图。
图4为本发明实施例中绕飞处置逻辑的原理图。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例
如图1所示，本实施例提出一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏；
具体地，所述根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏的方法为：在限飞区或禁飞区的边界找到若干个围栏点，采用直线段按顺序连接各个围栏点构成闭合的围栏区域，连接各个围栏点的直线段即为围栏边界，从而得到对应限飞区域的限飞区电子围栏和对应禁飞区的禁飞区电子围栏（即围栏属性是指电子围栏为限飞区电子围栏或禁飞区电子围栏）；其中，所述电子围栏的每个围栏点具有的信息包括围栏点所在的经度和纬度，以及围栏点号（围栏点按顺时针或逆时针依次编号；如从0号开始按照顺时针编号，由于是闭合的围栏区域，0号与最后一号的围栏点相邻）。
制作的电子围栏以及围栏点的信息上传写入机载计算机中，供后续处理使用。
步骤S2，实时计算无人机与电子围栏各个围栏边界的距离，通过比较得到无人机与电子围栏的最短距离，并通过比较最短距离与相应阈值判断是否需要进行电子围栏处置逻辑；
通过前述可知，电子围栏的围栏边界为直线段，通过无人机的经度和纬度与围栏边界的两个围栏点的经度和纬度就可以知道无人机与该围栏边界的相对关系，如图2、图3所示。由此，步骤S2包括如下子步骤：
步骤S21，将无人机投影到围栏边界所在直线上；
步骤S22，通过无人机的经度和纬度与围栏边界的两个围栏点的经度和纬度，计算无人机到该围栏边界的纵向距和横向距；
步骤S23，利用无人机到该围栏边界的纵向距和横向距计算无人机到该围栏边界的距离；具体地：
通过计算得到的无人机到该围栏边界的横向距，判断无人机投影到围栏边界所在直线上的位置是否在该围栏边界的两个围栏点之间：
（1）如图2a所示，若无人机投影到围栏边界所在直线上的位置不在该围栏边界的两个围栏点之间，则通过无人机距该围栏边界的两个围栏点的距离区分两个围栏点中的近端点和远端点；则以无人机到远端点的距离作为无人机到该围栏边界的距离，该无人机到远端点的距离为纵向距和横向距的平方和再开平方；
（2）如图2b所示，若无人机投影到围栏边界所在直线上的位置在该围栏边界的两个围栏点之间，则无人机到该围栏边界的距离为纵向距；
步骤S24，按照步骤S21～步骤S23实时计算无人机与电子围栏的每个围栏边界的距离，并通过比较无人机与电子围栏的每个围栏边界的距离，得到无人机与电子围栏的最短距离；
步骤S25，通过比较最短距离与相应阈值判断是否进行电子围栏处置逻辑；具体地：
设阈值为X（千米），当无人机与电子围栏的最短距离小于阈值X后自动进入电子围栏处置；作为优选，在自动进入电子围栏处置进行告警。
所述阈值X采用如下方法确定：
X=R+L；
R=2Vt/(g×tanф)；
L=T×Vt；
其中，R表示无人机转弯半径，Vt表示无人机最大真空速；g表示重力常数，ф表示无人机可以使用的最大滚转角度；T表示执行步骤S2的间隔时间，即步骤S2每T秒执行一次，时间T根据需求设定。
步骤S3，当需要进行电子围栏处置逻辑时，根据电子围栏的围栏属性选择相应的电子围栏处置逻辑；具体地：
A、若电子围栏是限飞区电子围栏，则执行原路返回处置逻辑；如图3所示，所述原路返回处置逻辑为：
（1）当无人机由起飞阶段转为巡航阶段时，记录无人机的当前位置作为第一个原路返回点；之后，当无人机的位置距离之前记录的原路返回点距离大于2倍阈值X后记录下一个原路返回点，依次将记录的原路返回点保存到原路返回航路中；
（2）当无人机与限飞区电子围栏的最短距离小于阈值X后自动进入原路返回处置：即无人机转为自主飞行，在无人工干预情况下沿原路返回航路返回到记录的第一个原路返回点，飞完原路返回航路后开始进场着陆。这样可保证无人机完全按来时的路径飞回机场区域，不会跨越或飞出限飞区电子围栏。
B、若电子围栏是禁飞区电子围栏，则执行绕飞处置逻辑；如图4所示，所述绕飞处置逻辑为：
开始绕飞处置后，在禁飞区电子围栏的若干个围栏点外围距离阈值X处生成若干个临时航路点，并由所有临时航路点形成临时航路；然后使无人机沿该临时航路航路自主飞行绕飞过禁飞区电子围栏；其中，临时航路的终点（即最后一个临时航路点）为无人机当前航迹延长线穿越禁飞区电子围栏后与临时航路的交点。进一步，进行绕飞处置时，分别计算无人机从左侧和右侧沿生成的临时航路点依次飞行到达终点的路径，选择距离短的路径作为绕飞处置的临时航路，无人机沿该临时航路航路自主飞行绕飞过禁飞区电子围栏。
至此，本发明可以实现大型固定翼无人机电子围栏保护功能，通过计算与电子围栏的最短距离并与阈值比较来提前预判并自动进入电子围栏处置，由此使得无人机能够提前机动转弯，从而能够解决大型无人机由于自身转弯坡度和飞行速度可能导致飞出电子围栏限制的问题。其中，电子围栏包括禁飞区电子围栏和限飞区电子围栏，均为闭合形式：禁飞区电子围栏将禁飞区包围其中，不允许无人机飞到该区域内；限飞区电子围栏将无人机整个允许飞行空域包围其中，限制无人机仅在该区域内飞行。
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 (10)

1.一种基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏；
步骤S2，实时计算无人机与电子围栏各个围栏边界的距离，通过比较得到无人机与电子围栏的最短距离，并通过比较最短距离与相应阈值判断是否需要进行电子围栏处置逻辑；
步骤S3，当需要进行电子围栏处置逻辑时，根据电子围栏的围栏属性选择相应的电子围栏处置逻辑。
2.根据权利要求1所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，步骤S1中所述根据不同区域制作具有不同围栏属性的电子围栏的方法为：在限飞区或禁飞区的边界找到若干个围栏点，采用直线段按顺序连接各个围栏点构成闭合的围栏区域，连接各个围栏点的直线段即为围栏边界，从而得到对应限飞区域的限飞区电子围栏和对应禁飞区的禁飞区电子围栏；所述电子围栏的每个围栏点具有的信息包括围栏点所在的经度和纬度，以及围栏点号。
3.根据权利要求2所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，步骤S2包括如下子步骤：
步骤S21，将无人机投影到围栏边界所在直线上；
步骤S22，通过无人机的经度和纬度与围栏边界的两个围栏点的经度和纬度，计算无人机到该围栏边界的纵向距和横向距；
步骤S23，利用无人机到该围栏边界的纵向距和横向距计算无人机到该围栏边界的距离；
步骤S24，按照步骤S21～步骤S23实时计算无人机与电子围栏的每个围栏边界的距离，并通过比较无人机与电子围栏的每个围栏边界的距离，得到无人机与电子围栏的最短距离；
步骤S25，通过比较最短距离与相应阈值判断是否进行电子围栏处置逻辑。
4.根据权利要求3所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，步骤S23中所述利用无人机到该围栏边界的纵向距和横向距计算无人机到该围栏边界的距离的方法为：
通过计算得到的无人机到该围栏边界的横向距，判断无人机投影到围栏边界所在直线上的位置是否在该围栏边界的两个围栏点之间：
（1）若无人机投影到围栏边界所在直线上的位置不在该围栏边界的两个围栏点之间，则通过无人机距该围栏边界的两个围栏点的距离区分两个围栏点中的近端点和远端点；则以无人机到远端点的距离作为无人机到该围栏边界的距离，该无人机到远端点的距离为纵向距和横向距的平方和再开平方；
（2）若无人机投影到围栏边界所在直线上的位置在该围栏边界的两个围栏点之间，则无人机到该围栏边界的距离为纵向距。
5.根据权利要求3所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，步骤S25中所述通过比较最短距离与相应阈值判断是否进行电子围栏处置逻辑的方法为：设阈值为X，当无人机与电子围栏的最短距离小于阈值X后自动进入电子围栏处置。
6.根据权利要求5所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，所述阈值X采用如下方法确定：
X=R+L；
R=2Vt/(g×tanф)；
L=T×Vt；
其中，R表示无人机转弯半径，Vt表示无人机最大真空速；g表示重力常数，ф表示无人机可以使用的最大滚转角度；T表示执行步骤S2的间隔时间。
7.根据权利要求2-6任一项所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，步骤S3中所述根据电子围栏的围栏属性选择相应的电子围栏处置逻辑的方法为：
若电子围栏是限飞区电子围栏，则执行原路返回处置逻辑；
若电子围栏是禁飞区电子围栏，则执行绕飞处置逻辑。
8.根据权利要求7所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，所述原路返回处置逻辑为：
（1）当无人机由起飞阶段转为巡航阶段时，记录无人机的当前位置作为第一个原路返回点；之后，当无人机的位置距离之前记录的原路返回点距离大于2倍阈值X后记录下一个原路返回点，依次将记录的原路返回点保存到原路返回航路中；
（2）当无人机与限飞区电子围栏的最短距离小于阈值X后自动进入原路返回处置：即无人机转为自主飞行，在无人工干预情况下沿原路返回航路返回到记录的第一个原路返回点，飞完原路返回航路后开始进场着陆。
9.根据权利要求7所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，所述绕飞处置逻辑为：开始绕飞处置后，在禁飞区电子围栏的若干个围栏点外围距离阈值X处生成若干个临时航路点，并由所有临时航路点形成临时航路；然后使无人机沿该临时航路航路自主飞行绕飞过禁飞区电子围栏；其中，临时航路的终点为无人机当前航迹延长线穿越禁飞区电子围栏后与临时航路的交点。
10.根据权利要求9所述的基于大型固定翼无人机电子围栏的无人机控制方法，其特征在于，进行绕飞处置时，分别计算无人机从左侧和右侧沿生成的临时航路点依次飞行到达终点的路径，选择距离短的路径作为绕飞处置的临时航路，无人机沿该临时航路航路自主飞行绕飞过禁飞区电子围栏。
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