CN113759985A - 一种无人机飞行控制方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机飞行控制方法、系统及装置。该方法包括以下步骤：获取无人机飞行前方的障碍物信息；根据所述障碍物信息生成避障轨迹；根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度，所述偏差参数包括所述无人机飞行航向与所述避障轨迹的夹角偏差以及夹角偏差变化量。通过使用本发明中的方法，能够根据偏差参数控制无人机避障时的飞行速度，可以有效防止无人机避障飞行时因为惯性发生侧向偏移或失控，解决了无人机避障飞行时的鲁棒性不强的问题。本发明可广泛应用于一种无人机技术领域内。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机技术领域，尤其是一种无人机飞行控制方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
无人机在飞行过程中，会对周围的环境进行探测，当检测到障碍物时，会预先生成一条避障轨迹，无人机按照生成的轨迹绕开障碍物。
但在按照避障轨迹绕开障碍物时，其飞行速度难以控制，而且飞行速度快，容易因为惯性发生侧向偏移或失控的情形，使得避障转弯的鲁棒性不强。
发明内容
本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明实施例的一个目的在于提供一种无人机飞行控制方法，该方法能够有效防止无人机避障飞行时因为惯性发生侧向偏移或失控，提高无人机避障飞行时的鲁棒性。
根据本申请实施例的第一方面，提供了一种无人机飞行控制方法，包括以下步骤：
获取无人机飞行前方的障碍物信息；
根据所述障碍物信息生成避障轨迹；
根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度，所述偏差参数包括所述无人机飞行航向与所述避障轨迹的夹角偏差以及夹角偏差变化量。
进一步地，所述根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度这一步骤，包括以下步骤：
获取所述偏差参数；
将所述偏差参数输入至模糊控制器，所述模糊控制器输出所述飞行速度，其中，所述模糊控制器用于调整所述无人机在所述避障轨迹的飞行速度。
进一步地，所述无人机飞行控制方法还包括构建所述模糊控制器的步骤，所述构建所述模糊控制器的步骤包括以下步骤：
确定所述偏差参数的模糊量，将偏差参数的模糊量作为所述模糊控制器的输入；
确定所述偏差参数所对应的目标飞行速度，将所述目标飞行速度的模糊量作为模糊控制器的输出；
根据所述模糊控制器的输入和模糊控制器的输出创建模糊控制规则库；
提取所述模糊控制规则库的模糊控制规则，根据所述模糊控制规则得到所述模糊控制器。
进一步地，所述无人机飞行控制方法还包括以下步骤：
对所述避障轨迹进行平滑处理。
进一步地，所述避障轨迹包括N段轨迹线段，N为自然数且N≥1，所述对所述避障轨迹进行平滑处理这一步骤，包括以下步骤：
步骤A、确定第i段所述轨迹线段和第i+1段所述轨迹线段间的夹角为第一夹角θ1，其中，i+1≤N；
步骤B、确定所述第一夹角θ1大于或等于角度阈值，i增加1并且i增加1后小于等于N，则返回执行步骤A；
步骤C、确定所述第一夹角θ1小于所述角度阈值，则获取与所述第一夹角θ1相邻的两条线段的中点M1和M2；根据所述中点M1和M2确定过渡线段；
步骤D、确定所述过渡线段与第i段所述轨迹线段的第二夹角θ2以及过所述渡线段与第i+1段所述轨迹线段的第三夹角θ3均大于角度阈值，则保留所述过渡线段，i增加1并且i增加1后小于等于N，返回执行步骤A；
步骤E、确定所述第二夹角θ2和所述第三夹角θ2中至少一个小于角度阈值，则返回执行步骤C对所述第二夹角θ2和/或所述第三夹角θ3进行判断；
步骤F、i增加1，并且i增加1后小于等于N，则返回执行步骤A，否则，结束执行平滑处理。
根据本申请实施例的第一方面，提供了一种无人机飞行控制系统，包括：
障碍物信息获取模块，用于获取无人机飞行前方的障碍物信息；
轨迹生成模块，用于根据所述障碍物信息生成避障轨迹；
控制模块，用于根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度，所述偏差参数包括所述无人机飞行航向与所述避障轨迹的夹角偏差以及夹角偏差变化量。
根据本申请实施例的第三方面，提供了一种无人机飞行控制装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实现所述的一种无人机飞行控制方法。
根据本申请实施例的第四方面，提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现所述的一种无人机飞行控制方法。
本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到：
本发明实施例能够根据偏差参数控制无人机避障时的飞行速度，可以有效防止无人机避障飞行时因为惯性发生侧向偏移或失控，解决了无人机避障飞行时的鲁棒性不强的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本发明一种无人机飞行控制方法具体实施例的流程示意图；
图2为本发明一种无人机飞行控制系统具体实施例的结构示意图；
图3为本发明一种无人机飞行控制装置具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的一种无人机飞行控制方法和系统、装置及存储介质，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种无人机飞行控制方法。
参照图1，本发明实施例中的一种无人机飞行控制方法主要包括以下步骤：
S1：获取无人机飞行前方的障碍物信息；
具体地，障碍物包括动态障碍物和静态障碍物，例如，飞翔的小鸟可以是动态障碍物，悬停的其他无人机可以是静态障碍物。
利用传感器对无人机周围环境进行实时探测，实时获取障碍物的速度信息和位置信息。例如，可采用激光雷达来获取无人机飞行前方的障碍物信息，可以在无人机的基座上安装三个激光雷达，用于获取飞行方向的正前方、左边45度角和右边45度角的障碍物信息。无人机根据获取的障碍物的位置信息以及无人机自身的位置信息，便可以计算出障碍物相对于无人机自身的方位信息。
S2：根据障碍物信息生成避障轨迹；
具体地，无人机在检测到障碍物后，根据障碍物信息，即刻生成避障轨迹，无人机按照预先生成的避障轨迹飞行，从而达到避障的目的。可利用现有技术中的路径生成算法来生成避障轨迹。
S3：根据偏差参数确定避障轨迹的飞行速度，偏差参数包括无人机飞行航向与避障轨迹的偏差夹角以及偏差夹角变化量。
具体地，偏差参数包括无人机前进的飞行方向与预先规划的避障轨迹之间的角度偏差以及偏差夹角变化量，偏差夹角以及偏差夹角变化量能够反映避障轨迹的弯曲程度，例如，当前的避障轨迹的偏差夹角和偏差夹角变化量较大，表明当前路段的弯曲程度较大，也即是无人机绕弯的角度较大，如果不对无人机的飞行速度进行控制，则较大可能地因为惯性而发生偏移或者时失控，所以，应该在当前段的避障轨迹减小飞行速度，使得无人机平稳地飞过该段避障轨迹。
由此可见，根据偏差参数控制无人机避障时的飞行速度，可以有效防止无人机避障飞行时因为惯性发生侧向偏移或失控，解决了无人机避障飞行时的鲁棒性不强的问题。
进一步作为可选的实施方式，步骤S3包括以下步骤S31-S32：
S31、获取偏差参数；
S32、将偏差参数输入至模糊控制器，模糊控制器输出飞行速度，其中，模糊控制器用于调整无人机在避障轨迹的飞行速度。
具体地，本实施例提供了一个利用偏差参数来确定无人机飞行速度的具体实施例，也即是利用模糊控制器来确定偏差参数所对应的无人机的飞行速度。
无人机获取该偏差参数，并将该偏差参数输入至模糊控制器，模糊控制器根据输入的偏差参数，计算出当前的偏差参数所对应的飞行速度，也即是根据飞行轨迹的弯曲程度来确定飞行速度，使得飞行速度始终适应于当前的飞行轨迹。
进一步作为可选的实施方式，还包括构建模糊控制器的步骤S4，步骤S4包括以下步骤：
S41、确定偏差参数的模糊量，将偏差参数的模糊量作为模糊控制器的输入；
S42、确定偏差参数所对应的目标飞行速度，将目标飞行速度的模糊量作为模糊控制器的输出；
S43、根据模糊控制器的输入和模糊控制器的输出创建模糊控制规则库；
S44、提取模糊控制规则库的模糊控制规则，根据所述模糊控制规则得到所述模糊控制器。
具体地，构建模糊控制器的过程，实质上是获取模糊控制规则的过程，利用获取的模糊控制规则，来确定输入的模糊量所对应的输出模糊量。
首先，采用三角形隶属函数对偏差参数以及目标飞行速度进行模糊化，由于偏差参数包括无人机飞行航向与避障轨迹的偏差夹角以及偏差夹角变化量，因此，确定偏差夹角的糊量为E，确定偏差夹角变化量的模糊量为EC，确定目标飞行速度的模糊量为U。
接着，根据偏差夹角的糊量为E、偏差夹角变化量的模糊量为EC以及飞行速度的模糊量U来制定模糊控制规则库，其中，模糊控制规则库由若干条控制规则组成，这些控制规则根据人们的控制经验总结得出的，模糊控制规则库也可以用矩阵表的形式进行描述，如表1所示：
表1
根据模糊控制规则库来提取模糊控制规则，提取的模糊控制规则如下：
R＝(E×EC)×U，
其中，模糊运算×表示“取小”。
获取到模糊控制规则库所包含的模糊控制规则后，也即是得到了模糊控制器，后期即可利用提取的模糊控制规则/模糊控制器来计算输入的偏差参数所对应的飞行速度。
U＊＝(E＊×EC＊)оR，
其中，о表示模糊矩阵的合成，类似于普通矩阵的乘积运算，将乘积运算换成“取小”，将加法运算换成“取大”。
当然，模糊控制器的输入为经过模糊化的偏差参数，输出也为模糊化的目标飞行速度，对模糊化的目标飞行速度进行去模糊处理，即可得到具有精确数值的目标飞行速度。无人机在当前的偏差参数的情况下，控制其飞行速度保持在具有精确数值的飞行速度，提高无人机在避障转弯时的鲁棒性。
进一步作为可选的实施方式，无人机飞行控制方法还包括以下步骤：
S5、对避障轨迹进行平滑处理。
具体地，设计的无人机的避障路径，在转弯的时候，较大概率会出现拐角或者尖峰，使得无人机发生抖动或者失控，因此，需要对无人机的避障路径进行平滑处理，处理后的避障路径的曲线更加平滑，后期在计算偏差参数、以及根据偏差参数获取无人机的目标飞行速度，能够获取更加准确的结果。
进一步作为可选的实施方式，避障轨迹包括N段轨迹线段，N为自然数且N≥1，步骤S5包括以下步骤：
步骤A、确定第i段轨迹线段和第i+1段轨迹线段间的夹角为第一夹角θ1，其中，i+1≤N；
步骤B、确定第一夹角θ1大于或等于角度阈值，i增加1并且i增加1后小于等于N，则返回执行步骤A；
步骤C、确定第一夹角θ1小于角度阈值，则获取与第一夹角θ1相邻的两条线段的中点M1和M2；根据中点M1和M2确定过渡线段；
步骤D、确定过渡线段与第i段轨迹线段的第二夹角θ2以及过渡线段与第i+1段轨迹线段的第三夹角θ3均大于角度阈值，则保留过渡线段，i增加1并且i增加1后小于等于N，返回执行步骤A；
步骤E、确定第二夹角θ2和第三夹角θ2中至少一个小于角度阈值，则返回执行步骤C对第二夹角θ2和/或第三夹角θ3进行判断；
步骤F、i增加1，并且i增加1后小于等于N，则返回执行步骤A，否则，结束执行平滑处理。
具体地，生成的避障路径，可能存在具有尖峰/拐角的路段，因此，对于生成的避障路径需要进行消除尖峰/拐角的路径平滑处理。
将避障路径划分为多个轨迹线段，当判断两段相邻的轨迹线段间的夹角，也即是第一夹角θ1小于角度阈值时，则表明这两段轨迹路线之间存在尖峰/拐角，需要做路径平滑处理，因此，选择与第一夹角θ1相邻的两条线段的中点M1和M2，连接M1和M2从而确定出一条过渡线段L，如果新的线段，也即是过渡线段和两条轨迹线段的夹角，也即是第二夹角θ2和第三夹角θ3能够大于或等于角度阈值，说明该过渡线段能够成为避障轨迹的一部分，从而消除了尖峰/拐角路段。当判断第二夹角θ2和第三夹角θ3中至少有一个夹角小于角度阈值时，则继续为第二夹角θ2和/或第三夹角θ3寻找过渡线段，直到当前的路径轨迹平滑为止。
当判断完所有的轨迹线段，即完成对避障路径的平滑处理。
其次，参照附图描述根据本发明实施例提出的一种无人机飞行控制系统。
图2是本发明一个实施例的一种无人机飞行控制系统结构示意图。
该系统具体包括：
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
参照图3，本发明实施例提供了一种无人机飞行控制装置，包括：
至少一个处理器301；
至少一个存储器302，用于存储至少一个程序；
当至少一个程序被至少一个处理器301执行时，使得至少一个处理器301实现一种无人机飞行控制方法。
同理，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干程序用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行程序的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供程序执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从程序执行系统、装置或设备取程序并执行程序的系统)使用，或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供程序执行系统、装置或设备或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种无人机飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取无人机飞行前方的障碍物信息；
根据所述障碍物信息生成避障轨迹；
根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度，所述偏差参数包括所述无人机飞行航向与所述避障轨迹的夹角偏差以及夹角偏差变化量。
2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制方法，其特征在于，所述根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度这一步骤，包括以下步骤：
获取所述偏差参数；
将所述偏差参数输入至模糊控制器，所述模糊控制器输出所述飞行速度；其中，所述模糊控制器用于调整所述无人机在所述避障轨迹的飞行速度。
3.根据权利要求2所述的一种无人机飞行控制方法，其特征在于，所述无人机飞行控制方法还包括构建所述模糊控制器的步骤，所述构建所述模糊控制器的步骤包括以下步骤：
确定所述偏差参数的模糊量，将所述偏差参数的模糊量作为所述模糊控制器的输入；
确定偏差参数所对应的目标飞行速度，将所述目标飞行速度的模糊量作为模糊控制器的输出；
根据所述模糊控制器的输入和所述模糊控制器的输出创建模糊控制规则库；
提取所述模糊控制规则库的模糊控制规则，根据所述模糊控制规则得到所述模糊控制器。
4.根据权利要求1所述的一种无人机飞行控制方法，其特征在于，所述无人机飞行控制方法还包括以下步骤：
对所述避障轨迹进行平滑处理。
5.根据权利要求2所述的一种无人机飞行控制方法，其特征在于，所述避障轨迹包括N段轨迹线段，N为自然数且N≥1，所述对所述避障轨迹进行平滑处理这一步骤，包括以下步骤：
步骤A、确定第i段所述轨迹线段和第i+1段所述轨迹线段间的夹角为第一夹角θ1，其中，i+1≤N；
步骤B、确定所述第一夹角θ1大于或等于角度阈值，i增加1并且i增加1后小于等于N，则返回执行步骤A；
步骤C、确定所述第一夹角θ1小于所述角度阈值，则获取与所述第一夹角θ1相邻的两条线段的中点M1和M2；根据所述中点M1和M2确定过渡线段；
步骤D、确定所述过渡线段与第i段所述轨迹线段的第二夹角θ2以及过所述渡线段与第i+1段所述轨迹线段的第三夹角θ3均大于角度阈值，则保留所述过渡线段，i增加1并且i增加1后小于等于N，返回执行步骤A；
步骤E、确定所述第二夹角θ2和所述第三夹角θ2中至少一个小于角度阈值，则返回执行步骤C对所述第二夹角θ2和/或所述第三夹角θ3进行判断；
步骤F、i增加1，并且i增加1后小于等于N，则返回执行步骤A，否则，结束执行平滑处理。
6.一种无人机飞行控制系统，其特征在于，包括：
障碍物信息获取模块，用于获取无人机飞行前方的障碍物信息；
轨迹生成模块，用于根据所述障碍物信息生成避障轨迹；
控制模块，用于根据偏差参数确定所述避障轨迹的飞行速度，所述偏差参数包括所述无人机飞行航向与所述避障轨迹的夹角偏差以及夹角偏差变化量。
7.根据权利要求6所述的一种无人机飞行控制系统，其特征在于，所述无人机飞行控制系统还包括：
轨迹优化模块，用于对所述避障轨迹进行平滑处理。
8.一种无人机飞行控制装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-5中任一项所述的一种无人机飞行控制方法。
9.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于：所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现如权利要求1-5中任一项所述的一种无人机飞行控制方法。
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