CN113589849A - 一种无人机动态控制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

一种无人机动态控制方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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李旭
林家民
张正飞
宋帅
薛源
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
    • G05D1/106—Change initiated in response to external conditions, e.g. avoidance of elevated terrain or of no-fly zones

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Abstract

本发明涉及一种无人机动态控制方法，通过构建坐标系，建立飞行轨迹与电子围栏边界的函数关系，获得飞行轨迹与电子围栏的交点，基于无人机当前速度确定无人机的安全距离，并在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，本发明的有益效果是：将制动响应距离与无人机速度建立起关系，提高安全性，且可以通过连续采集信号实现无人机的实时动态控制，确保无人机不会离开电子围栏区域。

Description

一种无人机动态控制方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及无人机飞行控制技术领域，尤其涉及一种无人机动态控制方法系统、设备及存储介质。
背景技术
无人机电子围栏是指用户为了执行特定范围内的任务而划定建立的功能区，无人机必须在该区域内部执行任务，不得飞出。如植保机进行田间喷药、测绘机进行区域测绘等等应用，都需要无人机在一块特定区域内来回飞行。所以，针对电子围栏，也必须设计飞控使得无人机不得冲出该围栏。
在无人机飞控系统中植入电子围栏后，无人机会通过定位系统自动识别与电子围栏的相对地理位置，从而在电子围栏的区域中飞行。电子围栏是静态固定的，而飞机是飞行运动的。如何保证运动的飞机在电子围栏内飞行存在两个关键点：一是精准判断飞机相对于静态电子围栏的位置，即飞机实时到围栏边界的距离；二是接近围栏边缘时需有效减速至悬停，防止冲出围栏。
针对以上两个关键点，通常做法是利用组合导航确定飞机相对于围栏的位置、利用位置控制器实现接近禁飞区边缘时减速至悬停。这种做法简单干脆，但在实际飞行中较难操作，因为仅考虑飞机的位置是不完善的，比如飞机位置接近围栏某边缘但速度方向背离该边缘，此时不应介入控制器减速；反之，即使飞机没有靠近围栏边缘，但飞机实时速度很大同时朝向某边缘，这时应充分考虑预见飞机以当前速度飞行的未来位置与状态，在飞行过程中应及时施加动态干预减速，否则未来极有可能来不及减速而冲出围栏。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于无人机的当前位置，预测无人机未来是否有离开电子围栏的倾向，从而对无人机进行实时动态控制的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无人机动态控制方法，包括，
步骤A：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
步骤B：计算以当前速度飞行
Figure 129434DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐标和
Figure 927626DEST_PATH_IMAGE002
时 间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 657685DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
步骤C：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
步骤D：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的距离；
步骤E：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
优选的，步骤A中先建立北东地NED三维坐标系，获取无人机的空间位置坐标
Figure 342875DEST_PATH_IMAGE004
，以及当前速度
Figure 132977DEST_PATH_IMAGE006
，并将无人机的空间位置和当前速度投 影到水平面内，无人机坐标为
Figure 418464DEST_PATH_IMAGE008
，当前速度为
Figure 686635DEST_PATH_IMAGE010
。
优选的，所述电子围栏由n个边界点
Figure 491911DEST_PATH_IMAGE012
顺序连接并首尾闭合得到，获 取每个边界点
Figure 452914DEST_PATH_IMAGE014
的坐标
Figure 960118DEST_PATH_IMAGE016
及顺序i，在NE坐标系中确定电子围栏区域。
优选的，所述计算以当前速度飞行
Figure 31980DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置
Figure 768727DEST_PATH_IMAGE018
的 方法为，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
Figure 198834DEST_PATH_IMAGE002
的选取需要确保点
Figure 193335DEST_PATH_IMAGE020
在电子围栏外。
优选的，步骤C中基于电子围栏边界点的坐标和顺序能够确定每个边界线的两个 端点位置，每个边界线的函数均为线性方程，通过端点坐标能够计算出每个边界线的函数 并给予端点坐标限定函数范围，然后与飞行轨迹的函数进行求解，在边界线的坐标范围内 存在共同解时，飞行轨迹与该边界线存在交点
Figure 803308DEST_PATH_IMAGE022
，并获取无人机与交点的距离，如 果与多个边界线存在交点，则获取交点距离的最小值。
优选的，所述无人机与电子围栏交点的最小距离为：
Figure 376984DEST_PATH_IMAGE024
比较无人机与电子围栏的最小距离
Figure 148631DEST_PATH_IMAGE026
和安全距离
Figure 896007DEST_PATH_IMAGE028
，
当
Figure DEST_PATH_IMAGE029
时，不做处理；
当
Figure 388299DEST_PATH_IMAGE030
时，对无人机进行制动。
优选的，无人机的安全距离为
Figure 6363DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 27539DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 996632DEST_PATH_IMAGE036
为无人机的刹车效率。
本发明还公开了一种基于电子围栏的无人机动态控制系统，包括，
坐标系构建模块：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
飞行轨迹计算模块：计算以当前速度飞行
Figure 682829DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当 前坐标和
Figure 686557DEST_PATH_IMAGE002
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 613056DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
边界线函数计算模块：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
距离计算模块：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的最小距离；
控制模块：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
本发明还公开了一种电子处理设备，包括至少一个处理器和存储有至少一个执行程序的存储装置，当所述至少一个执行程序被所述至少一个处理器执行，所述至少一个处理器实现所述无人机动态控制方法。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述无人机动态控制方法。
本发明的有益效果是：通过构建坐标系，建立飞行轨迹与电子围栏边界的函数关系，获得飞行轨迹与电子围栏的交点，基于无人机速度确定无人机的安全距离，并在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，由此将制动响应距离与无人机速度建立起关系，提高安全性，且可以通过连续采集信号实现无人机的实时动态控制，确保无人机不会离开电子围栏区域。
附图说明
下面将结合附图及实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例提供的无人机动态控制方法的流程图；
图2是本发明的实施例提供的无人机动态控制方法的坐标系示意图；
图3是本发明的实施例提供的无人机动态控制方法的无人机与电子围栏的交点计算方式示意图；
图4是本发明的实施例提供的无人机动态控制方法基于安全距离的控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种无人机动态控制方法，包括，
步骤A：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
步骤B：计算以当前速度飞行
Figure 69445DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐标和
Figure 824911DEST_PATH_IMAGE002
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 171229DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
步骤C：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
步骤D：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的距离；
步骤E：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
本实施例通过构建坐标系，建立飞行轨迹与电子围栏边界的函数关系，获得飞行轨迹与电子围栏的交点，基于无人机当前速度确定无人机的安全距离，并在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，由此将制动响应距离与无人机速度建立起关系，提高安全性，且可以通过连续采集信号实现无人机的实时动态控制，确保无人机不会离开电子围栏区域。
具体的，本实施例提供的无人机动态控制方法包括，
步骤A：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
参考图2，本实施例中先建立北东地NED三维坐标系，获取无人机的空间位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，以及无人机控制的当前速度
Figure 517896DEST_PATH_IMAGE038
，并将无人机的空间位置 和当前速度投影到水平面内，得到无人机坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，当前速度为
Figure 805789DEST_PATH_IMAGE040
。
所述电子围栏由n个边界点
Figure 646837DEST_PATH_IMAGE012
顺序连接并首尾闭合得到，获取每个 边界点
Figure 359579DEST_PATH_IMAGE014
的坐标
Figure 345989DEST_PATH_IMAGE016
及顺序i，顺次连接边界点即可在NE坐标系中确定电子围栏区 域。
步骤B：计算以当前速度飞行
Figure 511391DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐标和
Figure 359393DEST_PATH_IMAGE002
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 926640DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
结合图3，所述计算以当前速度飞行
Figure 83952DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE041
的 方法为，
Figure 77928DEST_PATH_IMAGE019
Figure 713309DEST_PATH_IMAGE002
的选取需要确保点
Figure 400642DEST_PATH_IMAGE020
在电子围栏外，一般根据电子围栏的最长尺寸* 10后得到。
步骤C：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
电子围栏每个边界线的函数均为线性方程，通过端点坐标能够计算出每个边界线 的函数并给予端点坐标限定函数范围，然后与飞行轨迹的函数进行求解，在边界线的坐标 范围内存在共同解时，飞行轨迹与该边界线存在交点
Figure 214009DEST_PATH_IMAGE042
，并获取无人机与交点的 距离，如果与多个边界线存在交点，则获取交点距离的最小值。
步骤D：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的距离；
所述无人机与电子围栏交点的最小距离为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
。
步骤E：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
参考图4，比较无人机与电子围栏的最小距离
Figure 885161DEST_PATH_IMAGE026
和安全距离
Figure 589812DEST_PATH_IMAGE028
，
当
Figure 882384DEST_PATH_IMAGE029
时，不做处理；
当
Figure 381499DEST_PATH_IMAGE030
时，对无人机进行制动。
其中，无人机的安全距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE046
其中，
Figure 87418DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 64601DEST_PATH_IMAGE036
为无人机的刹车效率。
实施例2：
本实施例还提供了一种基于电子围栏的无人机动态控制系统，其包括，
坐标系构建模块：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
飞行轨迹计算模块：计算以当前速度飞行
Figure 726527DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当 前坐标和
Figure 396542DEST_PATH_IMAGE002
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 987493DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
边界线函数计算模块：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
距离计算模块：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的最小距离；
控制模块：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
实施例3：
本实施例还提供了一种电子处理设备，包括至少一个处理器和存储有至少一个执行程序的存储装置，当所述至少一个执行程序被所述至少一个处理器执行，所述至少一个处理器如下方法：
步骤A：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
步骤B：计算以当前速度飞行
Figure 768367DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐标和
Figure 284799DEST_PATH_IMAGE002
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 125716DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
步骤C：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
步骤D：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的距离；
步骤E：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
实施例4：
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现如下方法：
步骤A：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
步骤B：计算以当前速度飞行
Figure 478331DEST_PATH_IMAGE002
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐标和
Figure 62896DEST_PATH_IMAGE002
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 230573DEST_PATH_IMAGE002
大常数；
步骤C：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
步骤D：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的距离；
步骤E：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、设备(系统)或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种无人机动态控制方法，其特征在于：包括，
步骤A：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
步骤B：计算以当前速度飞行
Figure 350177DEST_PATH_IMAGE001
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐标和
Figure 460346DEST_PATH_IMAGE001
时间后 的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 726242DEST_PATH_IMAGE001
大常数；
步骤C：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
步骤D：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的距离；
步骤E：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
2.根据权利要求1所述的无人机动态控制方法，其特征在于：步骤A中先建立北东地NED 三维坐标系，获取无人机的空间位置坐标
Figure 538341DEST_PATH_IMAGE002
，以及当前速度
Figure 180675DEST_PATH_IMAGE003
，并将无人机的空间位置和当前速度投影到水平面内，无人机坐标为
Figure 909465DEST_PATH_IMAGE004
，当前速 度为
Figure 346263DEST_PATH_IMAGE005
。
3.根据权利要求2所述的无人机动态控制方法，其特征在于：所述电子围栏由n个边界 点
Figure 911236DEST_PATH_IMAGE006
顺序连接并首尾闭合得到，获取每个边界点
Figure 91682DEST_PATH_IMAGE007
的坐标
Figure 902075DEST_PATH_IMAGE008
及顺序i，在 NE坐标系中确定电子围栏区域。
4.根据权利要求3所述的无人机动态控制方法，其特征在于：所述计算以当前速度飞行
Figure 509774DEST_PATH_IMAGE001
时间后无人机将达到的位置
Figure 562044DEST_PATH_IMAGE009
的方法为，
Figure 529869DEST_PATH_IMAGE010
Figure 983984DEST_PATH_IMAGE001
的选取需要确保点
Figure 762584DEST_PATH_IMAGE009
在电子围栏外。
5.根据权利要求4所述的无人机动态控制方法，其特征在于：步骤C中基于电子围栏边 界点的坐标和顺序能够确定每个边界线的两个端点位置，每个边界线的函数均为线性方 程，通过端点坐标能够计算出每个边界线的函数并给予端点坐标限定函数范围，然后与飞 行轨迹的函数进行求解，在边界线的坐标范围内存在共同解时，飞行轨迹与该边界线存在 交点
Figure 302150DEST_PATH_IMAGE011
，并获取无人机与交点的距离，如果与多个边界线存在交点，则获取交点距 离的最小值。
6.根据权利要求5所述的无人机动态控制方法，其特征在于：所述无人机与电子围栏交点的最小距离为：
Figure 575130DEST_PATH_IMAGE012
比较无人机与电子围栏的最小距离
Figure 883752DEST_PATH_IMAGE013
和安全距离
Figure 833253DEST_PATH_IMAGE014
，
当
Figure 594536DEST_PATH_IMAGE015
时，不做处理；
当
Figure 169743DEST_PATH_IMAGE016
时，对无人机进行制动。
7.根据权利要求6所述的无人机动态控制方法，其特征在于：
无人机的安全距离为
Figure 332871DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 453273DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为无人机的刹车效率。
8.一种基于电子围栏的无人机动态控制系统，其特征在于：包括，
坐标系构建模块：构建与地面平行的平面坐标系，获取电子围栏的边界点坐标和连接关系，以及处于电子围栏内的无人机坐标；
飞行轨迹计算模块：计算以当前速度飞行
Figure 184076DEST_PATH_IMAGE001
时间后无人机将达到的位置，基于当前坐 标和
Figure 48126DEST_PATH_IMAGE001
时间后的坐标建立当前时刻无人机的飞行轨迹函数，其中，为
Figure 65761DEST_PATH_IMAGE001
大常数；
边界线函数计算模块：根据电子围栏各边界线的端点坐标，建立每个边界线的坐标范围及线性函数；
距离计算模块：计算飞行轨迹与边界线的交点，并获得无人机与交点的最小距离；
控制模块：基于无人机当前速度确定无人机安全距离，在无人机与交点的距离小于安全距离时，控制无人机减速，使无人机在电子围栏边缘刹停。
9.一种电子处理设备，其特征在于：包括至少一个处理器和存储有至少一个执行程序的存储装置，当所述至少一个执行程序被所述至少一个处理器执行，所述至少一个处理器实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时能够实现如权利要求1-7任一项所述的方法。
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