CN113393712A - 一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法,包括以下步骤：基于无人机的可飞行区域设置电子围栏边界；再根据电子围栏边界设置无人机的飞行任务航线、围栏飞行航线和回收点位置；然后由无人机沿飞行任务航线自主飞行，飞行过程中对无人机的当前位置进行边界监控，判断无人机的位置点是否处于围栏飞行航线内部；当无人机处于围栏飞行航线内部时继续飞行，当无人机处于围栏飞行航线外部时通过归航动作重新返回飞行任务航线；使无人机重新规划航线后避开禁飞区并飞行至回收点位置。本发明能够实现无人机在进入电子围栏前的自动响应和归航，有效提高无人机的安全性并避免无人机在飞行过程中误入禁飞区。

Description

一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法
技术领域
本发明涉及一种无人机的交通管制方法，特别是一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法。
背景技术
随着无人机技术的发展和普及，目前越来越多的领域开始采用无人机进行高空侦察、地理测绘、农业应用和物流输送等于多项工作。但无人机在方便人们生活的同时，也会随之增加在空域上的飞行隐患，从而干扰民航的正常运营；因此需要不断的完善对无人机的使用方法和飞行管理策略。
电子围栏是目前对无人机系统的主要管理方法，其功能侧重点是对无人机的飞行区域边界进行界定，通过电子围栏的功能管理控制无人机保持在可飞区内进行飞行，而对具有异常进入禁飞区或将要进入禁飞区行为的无人机则采取通知、报警或紧急控制制停的措施，保障禁飞区内的生命和财产安全。但由于目前的电子围栏仅能作到判断无人机是否进入禁飞区，以及在无人机进入禁飞区后的警报和制停功能；导致在发出警报后还需要控制人员操纵无人机进行归航，自动化程度较低且容易出现反应不及时或遥控失灵的问题，极大的降低了无人机的安全性。同时，强制制停的方式还会影响无人机的工作顺畅性，导致无人机很难顺利的完成飞行任务。
另一方面，电子围栏是一种对可飞区和禁飞区的区域划分，一旦电子围栏产生响应则说明无人机已经进入禁飞区，从而造成一定的安全隐患；导致利用电子围栏进行拦截的方法仍无法彻底防止无人机进入禁飞区域，安全性较差。
因此，现有利用电子围栏对无人机进行限制拦截的方式存在安全性低、需要人为控制归航和无人机容易被拦截制停的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法。它能够实现无人机在进入电子围栏前的自动响应和归航，有效提高无人机的安全性并避免无人机在飞行过程中误入禁飞区。
本发明的技术方案：一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，包括以下步骤：
A.基于无人机的可飞行区域确定实际地理边界，然后根据地理边界设置电子围栏边界；
B.根据电子围栏边界设置无人机的飞行任务航线、围栏飞行航线和回收点位置；
C.无人机沿飞行任务航线自主飞行，飞行过程中对无人机的当前位置进行边界监控，判断无人机的位置点是否处于围栏飞行航线内部；当无人机处于围栏飞行航线内部时继续飞行，当无人机处于围栏飞行航线外部时通过归航动作重新返回飞行任务航线；
D.无人机重新规划航线后避开禁飞区并飞行至回收点位置。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述电子围栏航线为多个航点构成的多边形，电子围栏航线和电子围栏边界之间形成安全边界航道。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述步骤C中的归航动作具体包括以下步骤：
C1.当无人机越过电子围栏航线时，计算出无人机当前位置距离电子围栏航线的最近航段，然后经最近航段切入围栏飞行航线并沿围栏飞行航线飞行；
C2.无人机沿围栏飞行航线飞行时计算出无人机当前位置与归航点之间的直线归航路径，然后判断无人机是否处于通视状态；当无人机位置处于通视状态时则直接归航，当无人机不处于通视状态时则继续沿围栏飞行航线飞行直至处于通视状态。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述步骤C中通过射线法检测无人机的位置点是否处于电子围栏航线内部；所述射线法具体为过飞机位置向东做一条水平射线，然后判断水平射线和电子围栏航线的几条边有交点，若有交点的边的条数为奇数时说明无人机处于电子围栏航线内部。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述交点的判断方法为：设电子围栏航线其中一条边为Pn-1-Pn，该边的两个端点分别为Pn-1[x,y]和Pn[x,y]；并设无人机位置点为Ot[x,y]；若满足：
若Pn[y]>Pn-1[y],则Ot[y]∈[Pn-1[y]，Pn[y]]；
若Pn-1[y]>Pn[y],则Ot[y]∈[Pn[y]，Pn-1[y]]；
以及无人机位置在线段左边时，则判断该边和射线有交点。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述步骤C1中无人机当前位置和电子围栏航线的最近航段的计算方法为：
C11.获取电子围栏航线中各航点的坐标集合为U＝(P1[x,y]，P2[x,y]…Pn[x,y])，然后计算出无人机与各航点之间的距离L，L＝(L1，L2…Ln)；
C12.根据无人机当前位置和电子围栏航线各航段端点建立三角形，设无人机当前位置和电子围栏航线之间的航段距离为Xn，无人机到航段两个端点的距离分别为Ln-1和Ln；
C13.按以下方法计算出无人机的最近航段；
当Ln-12+Xn2≤Ln2时，则三角形是以Pn-1为顶点的钝角三角形，最短距离为Ln-1；
当Ln2+Xn2≤Ln-12时，则三角形是以Pn为顶点的钝角三角形，最短距离为Ln；
当其他情况时，则根据海伦公式求解飞机到各航段的垂直距离，该垂直距离为最短距离；然后依次比较无人机到各航段之间最短距离，选取最小值作为最近航段。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述步骤C2中围栏通视的判断方法为：若直线归航路径和除当前飞行航段外的围栏飞行航线其余航段间没有交点时，则判断无人机位置处于通视状态。
前述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法中，所述步骤C2中无人机沿围栏飞行航线飞行时，实时检测无人机和围栏飞行航线中目标航点之间的距离，当距离持续异常时紧急着陆。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明通过根据电子围栏边界指定的飞行任务航线和围栏飞行航线，使无人机能够在围栏飞行航线内沿飞行任务航线进行飞行；在无人机误飞出围栏飞行航线时，也能够经安全边界航道迅速返回至围栏飞行航线，并在围栏飞行航线飞行过程中寻找对应的归航路径，从而有效避免无人机穿过电子围栏边界进入禁飞区，有效提高本发明的安全性；
(2)在上述基础上，本发明进一步优化了对无人机位置点和切入围栏飞行航线的最近航段的计算方法，从而使无人机无需外部辅助设备便能自行技术出自身的飞行位置，并在飞离围栏飞行航线时快速返回围栏飞行航线，从而无需人为控制归航，并最大化的缩短了无人机的归航路线长度，减少飞机在安全边界航道的内飞行时间，进一步提高本发明的安全性；
(3)通过对射线法和交点判断方法的优化，则能够使无人机能够在多种特殊位置时准确计算出正确的交点数量，从而避免因误判造成无人机的错误动作，提高无人机的飞行路线稳定性；
(4)通过对无人机在归航时围栏通视的判断，还可以避免出现无人机在归航过程中穿过围栏飞行航线并进入禁飞区的可能性，从而进一步提高本发明的安全性；
所以，本发明能够实现无人机在进入电子围栏前的自动响应和归航，有效提高无人机的安全性并避免无人机在飞行过程中误入禁飞区。
附图说明
图1是本发明中无人机电子围栏的应用示意图；
图2是本发明中射线法的工作示意图；
图3是本发明无人机和电子围栏航线之间最短距离的解算示意图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例：一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，包括以下步骤：
A.根据无人机的飞行任务场地和空域要求规划处无人机的可飞行区域，然后在地面站GIS地图中确定无人机的实际地理边界，然后根据地理边界设置电子围栏边界，电子围栏边界外部则为无人机的禁飞区域；
B.根据电子围栏边界设置无人机的飞行任务航线、围栏飞行航线和回收点位置；
C.无人机在电子围栏航线内沿飞行任务航线自主飞行，飞行过程中对无人机的当前位置进行边界监控，判断无人机的位置点是否处于围栏飞行航线内部；当无人机处于围栏飞行航线内部时继续飞行，当无人机处于围栏飞行航线外部时通过归航动作重新返回飞行任务航线；
D.无人机重新沿飞行任务航线避开禁飞区并继续飞行至回收点位置。
所述电子围栏航线Z，构成如图1所示(图中H为航点，I为航段，J为电子围栏航线，K为安全边界航道,M为飞行任务航线，N为回收点位置)，为多个航点构成的多边形，构建时相邻的两个航点之间形成航段，各航段在呈环形首尾连接后形成电子围栏航线，电子围栏航线和电子围栏边界之间形成安全边界航道，安全边界航道的宽度大于无人机的转弯半径。
所述步骤C中的归航动作具体包括以下步骤：
C1.当无人机越过电子围栏航线时，计算出无人机当前位置距离电子围栏航线的最近航段，然后经最近航段切入围栏飞行航线并沿围栏飞行航线飞行；
C2.无人机沿围栏飞行航线飞行时计算出无人机当前位置与归航点之间的直线归航路径，该直线归航路径为无人机当前位置到飞行任务航线之间的最短直线距离，归航点为最短直线距离和飞行任务航线之间的交点，然后判断无人机是否处于通视状态，当无人机位置处于通视状态时则直接归航，当无人机不处于通视状态时则继续沿围栏飞行航线飞行直至处于通视状态。
所述步骤C中通过射线法检测无人机的位置点是否处于电子围栏航线内部；所述射线法具体为过飞机位置向东做一条水平射线，然后判断水平射线和电子围栏航线的几条边有交点，若有交点的边的条数为奇数时说明无人机处于电子围栏航线内部。
所述交点的判断方法为：设电子围栏航线其中一条边为Pn-1-Pn，该边的两个端点分别为Pn-1[x,y]和Pn[x,y]；并设无人机位置点为Ot[x,y]；若满足：
条件1：若Pn[y]>Pn-1[y],则Ot[y]∈[Pn-1[y]，Pn[y]]；
若Pn-1[y]>Pn[y],则Ot[y]∈[Pn[y]，Pn-1[y]]；
条件2：无人机位置在线段左边；
则判断该边和射线有交点。
具体的，无人机在电子围栏航线内的位置点可能出现的状态如图2所示(图中P1-17为航点，O0-3为无人机的位置点，Q为水平射线)，共分为4中情况；
当无人机处于O0位置时，O0属于常规位置点，水平射线相交的边有P14P15,P16P17和P3P4三条，说明无人机处于电子围栏航线内部；
当无人机处于O1位置时，O1是一个过两条边线连接点的特殊点，水平射线相交的边有P3P4,P4P5和P5P6,O1和P5在同一水平线，P4P5和P5P6均能满足条件1，P3P4常规相交，则相交的边为三条，说明无人机处于电子围栏航线内部；
当无人机处于O2位置时，水平射线相交的边有P1P2,P2P3和P3P4，且水平射线与P2P3在同一条水平线。根据判断条件只有P3P4满足，P2P3不满足条件1(纵坐标相同)，P1P2不满足条件1(一个等于，一个小于)，因此相交的边为一条，说明无人机处于电子围栏航线内部；
当无人机处于O3位置时，水平设置相交的边有P0P1和P1P2，根据判断条件只有P1P2满足，P0P1不满足条件1(一个等于，一个小于)，因此相交的边为一条，说明无人机处于电子围栏航线内部。
所述步骤C1中无人机当前位置和电子围栏航线的最近航段的计算方法为：
C11.获取电子围栏航线中各航点的坐标集合为U＝(P1[x,y]，P2[x,y]…Pn[x,y])，然后计算出无人机与各航点之间的距离L，L＝(L1，L2…Ln)；
C12.根据无人机当前位置和电子围栏航线各航段端点建立三角形，构成如图3所示，航段端点为电子围栏航线中每条航段的两个端点，设无人机当前位置O和电子围栏航线之间的航段距离为Xn，无人机到航段两个端点的距离分别为Ln-1和Ln；
C13.按以下方法计算出无人机的最近航段；
当Ln-12+Xn2≤Ln2时，则三角形是以Pn-1为顶点的钝角三角形，如图3a所示，最短距离为Ln-1；
当Ln2+Xn2≤Ln-12时，则三角形是以Pn为顶点的钝角三角形，如图3b所示，最短距离为Ln；
当其他情况时，如图3c所示，则根据海伦公式求解飞机到各航段的垂直距离Ld，该垂直距离Ld为最短距离；然后依次比较无人机到各航段之间最短距离，选取最小值作为最近航段。
所述步骤C2中围栏通视的判断方法为：若直线归航路径和除当前飞行航段外的围栏飞行航线其余航段间没有交点时，则判断无人机位置处于通视状态。
所述步骤C2中无人机沿围栏飞行航线飞行时，实时检测无人机和围栏飞行航线中目标航点之间的距离，该目标航点为无人机沿围栏飞行航线飞行时的下一个航点，当无人机与目标航点之间的距离持续增大时说明距离异常，飞控系统执行紧急着陆。
本发明的工作原理：本发明制定无人机的飞行计划、飞行任务航线和围栏飞行航线后，由无人机沿飞行任务航线进行自主飞行。
无人机在飞行过程中通过射线法实时计算自身的位置点是否处于围栏飞行航线内部；当检测到无人机偏离飞行任务航线并穿过围栏飞行航线进入安全边界航道后，无人机迅速计算出到围栏飞行航线的最近航段，并沿最近航段进入围栏飞行航线，再沿围栏飞行航线进行飞行。无人机在沿围栏飞行航线飞行时计算出当前位置点和飞行任务航线之间的最短直线距离，并通过围栏通视判断该最短直线距离和围栏飞行航线是否存在交点；当存在交点时则说明沿该最短直线距离飞行时可能会穿过围栏飞行航线并进入禁飞区，即无人机继续沿围栏飞行航线飞行。当无人机处于通视状态时，无人机则经最短直线距离归航，然后继续沿行任务航线抵达回收点位置。
当无人机在沿围栏飞行航线飞行时过程中遥控正常，地面控制人员可断开该自主飞行程序并控制无人机直接进入围栏飞行航线继续执行飞行任务，否则则保持自主飞行程序的持续运行。在上述步骤下，使得无人机能够在穿过围栏飞行航线时迅速察觉并以最短距离归航，并避免无人机在归航过程中重新进入禁飞区，从而有效提高无人机的飞行安全性和稳定性。同时，上述飞行和计算方式无需外部设备进行辅助，并精简了对各类情况的计算复杂度，从而降低了无人机的飞控运算周期，并降低了无人机的飞控成本。

Claims (8)

1.一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.基于无人机的可飞行区域确定实际地理边界，然后根据地理边界设置电子围栏边界；
B.根据电子围栏边界设置无人机的飞行任务航线、围栏飞行航线和回收点位置；
C.无人机沿飞行任务航线自主飞行，飞行过程中对无人机的当前位置进行边界监控，判断无人机的位置点是否处于围栏飞行航线内部；当无人机处于围栏飞行航线内部时继续飞行，当无人机处于围栏飞行航线外部时通过归航动作重新返回飞行任务航线；
D.无人机重新规划航线后避开禁飞区并飞行至回收点位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于：所述电子围栏航线为多个航点构成的多边形，电子围栏航线和电子围栏边界之间形成安全边界航道。
3.根据权利要求2所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于，所述步骤C中的归航动作具体包括以下步骤：
C1.当无人机越过电子围栏航线时，计算出无人机当前位置距离电子围栏航线的最近航段，然后经最近航段切入围栏飞行航线并沿围栏飞行航线飞行；
C2.无人机沿围栏飞行航线飞行时计算出无人机当前位置与归航点之间的直线归航路径，然后判断无人机是否处于通视状态；当无人机位置处于通视状态时则直接归航，当无人机不处于通视状态时则继续沿围栏飞行航线飞行直至处于通视状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于：所述步骤C中通过射线法检测无人机的位置点是否处于电子围栏航线内部；所述射线法具体为过飞机位置向东做一条水平射线，然后判断水平射线和电子围栏航线的几条边有交点，若有交点的边的条数为奇数时说明无人机处于电子围栏航线内部。
5.根据权利要求4所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于，所述交点的判断方法为：设电子围栏航线其中一条边为Pn-1-Pn，该边的两个端点分别为Pn-1[x,y]和Pn[x,y]；并设无人机位置点为Ot[x,y]；若满足：
若Pn[y]>Pn-1[y],则Ot[y]∈[Pn-1[y]，Pn[y]]；
若Pn-1[y]>Pn[y],则Ot[y]∈[Pn[y]，Pn-1[y]]；
以及无人机位置在线段左边时，则判断该边和射线有交点。
6.根据权利要求3所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于，所述步骤C1中无人机当前位置和电子围栏航线的最近航段的计算方法为：
C11.获取电子围栏航线中各航点的坐标集合为U＝(P1[x,y]，P2[x,y]…Pn[x,y])，然后计算出无人机与各航点之间的距离L，L＝(L1，L2…Ln)；
C12.根据无人机当前位置和电子围栏航线各航段端点建立三角形，设无人机当前位置和电子围栏航线之间的航段距离为Xn，无人机到航段两个端点的距离分别为Ln-1和Ln；
C13.按以下方法计算出无人机的最近航段；
当Ln-12+Xn2≤Ln2时，则三角形是以Pn-1为顶点的钝角三角形，最短距离为Ln-1；
当Ln2+Xn2≤Ln-12时，则三角形是以Pn为顶点的钝角三角形，最短距离为Ln；
当其他情况时，则根据海伦公式求解飞机到各航段的垂直距离，该垂直距离为最短距离；然后依次比较无人机到各航段之间最短距离，选取最小值作为最近航段。
7.根据权利要求3所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于，所述步骤C2中通视状态的判断方法为：若直线归航路径和除当前飞行航段外的围栏飞行航线其余航段间没有交点时，则判断无人机位置处于通视状态。
8.根据权利要求3所述的一种基于固定翼无人机电子围栏的交通管制方法，其特征在于：所述步骤C2中无人机沿围栏飞行航线飞行时，实时检测无人机和围栏飞行航线中目标航点之间的距离，当距离持续异常时紧急着陆。
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