CN115164901A - 无人机导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机导航方法，方法包括：在确定卫星导航信号中断后，确定卫星导航信号未中断时最后的定位数据；持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物；根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航；每当满足预设条件时重复执行根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航的步骤直至到达目标位置，或者，卫星导航信号恢复。本发明的方法在确定卫星导航信号中断后，通过卫星导航信号未中断时最后的定位数据和持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航，实现了在卫星导航信号被遮挡物遮挡时的导航。

Description

无人机导航方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机导航方法。

背景技术

随着无人机技术快速发展，无人机的应用领域也快速扩大，例如，无人机不仅可以应用于常规的高空取景，还可以应用于抢险救灾时的环境勘察。不过，后者的应用场景通常伴随着复杂环境状况，例如树木、建筑物遮挡。

无人机在飞行过程中需要借助卫星导航信号进行位置、姿态、速度的修正，而一旦卫星导航信号被遮挡物遮挡，则有可能导致无人机姿态偏移和无法定位而坠毁。

因此，如何在卫星导航信号被遮挡物遮挡时进行导航十分重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种无人机导航方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种无人机导航方法，所述方法包括：

S101，在确定卫星导航信号中断后，确定卫星导航信号未中断时最后的定位数据；

S102，持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物；

S103，根据所述定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对所述无人机进行导航；

S104，每当满足预设条件时重复执行S103直至到达目标位置，或者，卫星导航信号恢复。

可选地，所述S102，包括：

S102-1，持续以预设范围为半径，以所述无人机为球心的球形范围内检测是否存在障碍物；

S102-2，若存在障碍物，则确定障碍物与所述无人机之间的距离。

可选地，所述预设条件为：检测到存在新障碍物，或者，距离上一次执行步骤S103的间隔时间达到预设步长时间。

可选地，所述S103，包括：

S103-1，获取预先存储在所述无人机中的目标位置；

S103-2，根据所述定位数据和目标位置，确定飞行位置；

S103-3，如果不存在障碍物，则将所述无人机与所述飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航；

S103-4，如果存在障碍物，则根据所述障碍物和所述飞行位置确定飞行调整位置，并将所述无人机与所述飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

可选地，所述定位数据包括经度值x₁和纬度值y₁；所述目标位置包括经度值x_n和纬度值y_n；

所述S103-2，包括：

S103-2-1，获取初始时刻所述无人机的速度v₁、倾斜角γ₁和航向角ψ₁，其中，初始时刻为卫星导航信号未中断时最后的定位数据所对应的时刻；

S103-2-2，确定半径

其中，g为重力加速度；

S103-2-3，确定第一表达式为(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝R²；

S103-2-4，确定第二表达式为(x_n-x₀)²+(y_n-y₀)²＝R²；

S103-2-5，根据第一表达式、第二表达式和ψ₁确定圆心经度值x₀和圆心纬度值y₀；

S103-2-6，根据x₀、y₀、x₁和y₁确定飞行位置。

可选地，所述S103-2-5，包括：

求解第一表达式、第二表达式，得到两组(x₀，y₀)的解；

由(x₁，y₁)和(x_n，y_n)构成一条第一直线；

以(x₁，y₁)为起点，ψ₁为方向形成一条射线；

以一组(x₀，y₀)的解和(x₁，y₁)形成一条第二直线；

以另一组(x₀，y₀)的解和(x₁，y₁)形成一条第三直线；

确定所述射线和所述第一直线之间的第一位置关系，确定所述第二直线和所述第一直线之间的第二位置关系，确定所述第三直线和所述第一直线之间的第三位置关系；

在所述第二位置关系和所述第三位置关系中确定目标位置关系，所述目标位置关系与所述第一位置关系不相同；

将目标位置关系对应的一组(x₀，y₀)解确定为最终的(x₀，y₀)。

可选地，所述S103-2-6，包括：

计算纬度调整值

其中，R₁为极半径，R₂为赤道半径；

计算经度调整值

计算经度距离差

其中，d0为安全差距，α为偏移角；

计算纬度距离差

计算飞行位置的经度

计算飞行位置的纬度

可选地，

其中，β₁为航向角调整系数，若ψ₁指向当前飞行方向左侧，则β₁＝-1，否则，β₁＝1，β₂为速度调整倍数。

可选地，所述S103-4，包括：

S103-4-1，根据障碍物与所述无人机之间的距离确定距离差d₁；

S103-4-2，如果d₁＞β₃*所述无人机的轴距，则将所述无人机与所述飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航；其中，β₃为安全倍数；

S103-4-4，如果d₁≤β₃*所述无人机的轴距，则根据所述距离、所述障碍物和所述飞行位置确定飞行调整位置，并将所述无人机与所述飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

可选地，所述根据所述距离、所述障碍物和所述飞行位置确定飞行调整位置，包括：

确定调整半径R′＝R+d₁+无人机的轴距；

计算经度调整距离差

计算纬度调整距离差

计算飞行调整位置的经度

计算飞行调整位置的纬度

(三)有益效果

本发明的有益效果是：在确定卫星导航信号中断后，确定卫星导航信号未中断时最后的定位数据；持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物；根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航；每当满足预设条件时重复执行根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航的步骤直至到达目标位置，或者，卫星导航信号恢复。本发明的方法在确定卫星导航信号中断后，通过卫星导航信号未中断时最后的定位数据和持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航，实现了在卫星导航信号被遮挡物遮挡时的导航。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种无人机导航方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例提供的一种圆心确定示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

无人机在飞行过程中需要借助卫星导航信号进行位置、姿态、速度的修正，而一旦卫星导航信号被遮挡物遮挡，则有可能导致无人机姿态偏移和无法定位而坠毁。因此，如何在卫星导航信号被遮挡物遮挡时进行导航十分重要。

参见图1，本实施例提供的无人机导航方法的实现过程如下。

S101，在确定卫星导航信号中断后，确定卫星导航信号未中断时最后的定位数据。

无人机在飞行过程中会实时接收卫星定位数据，如果持续预设时间(如5秒钟)未收到任何新的卫星定位数据，那么确定卫星导航信号中断。此时会获取最后一次收到的卫星定位数据，将其作为卫星导航信号未中断时最后的定位数据。

定位数据通过经度和纬度表示，例如定位数据为(x₀,y₀)。该定位数据表征了无人机通过卫星导航得到的最后的位置。

S102，持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物。

本步骤的实现方式为：

S102-1，持续以预设范围为半径，以无人机为球心的球形范围内检测是否存在障碍物。

例如预设范围为1000米。具体实现时可以预先设置该预设范围，也可以根据当前无人机飞行速度确定，速度越快，预设范围数值越大。

S102-2，若存在障碍物，则确定障碍物与无人机之间的距离。

本步骤会持续监测无人机高度范围内360度周围是否存在障碍物，如果存在，则确定该障碍物与无人机之间的距离。也就是说，不监测无人机上或下空间中的障碍物。如果无人机处于上升或下降阶段，也可以考虑其上、下空间的障碍物。本实施例仅提供针对不监测无人机上或下空间中的障碍物的情况下的导航方案，对于监测无人机上或下空间中的障碍物的情况，可以参考本提案的方法进行适应性的导航。

另外，本步骤仅针对首次检索到的障碍物，因为非首次检索到的障碍物已经在其首次检索到时进行过处理，已经对其进行规避，因此再次检索到时，可以将其忽略。

此外，监测方式可以有多种，例如通过无人机中装载的红外线或者雷达或者传感器等实现，无论采用何种方式，该方式在监测到障碍物时得到该障碍物与无人机之间的距离。

S103，根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航。

本步骤的实现过程为：

S103-1，获取预先存储在无人机中的目标位置。

目标位置是无人机起飞前存储在无人机中，是无人机此次的飞行目的地。

该位置通过经度和纬度表示，例如目标位置为(x_n，y_n)。

S103-2，根据定位数据和目标位置，确定飞行位置。

S103-2的实现过程为：

S103-2-1，获取初始时刻无人机的速度v₁、倾斜角γ₁和航向角ψ₁。

其中，初始时刻为卫星导航信号未中断时最后的定位数据所对应的时刻。

无人机上装载有垂直陀螺仪(或者惯性导航姿态测量仪)实时测量无人机的航向角，航向传感器实时测量无人机的机头指向即航向角，速度传感器实时测量速度。

本步骤即从实时测量的数据中，查找卫星导航信号未中断时最后的定位数据所对应的时刻的速度v₁、倾斜角γ₁和航向角ψ₁。

S103-2-2，确定半径

其中，g为重力加速度，g＝9.8米/秒。

S103-2-3，确定第一表达式为(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝R²。

S103-2-4，确定第二表达式为(x_n-x₀)²+(y_n-y₀)²＝R²。

由于定位数据包括经度值x₁和纬度值y₁，目标位置包括经度值x_n和纬度值y_n。因此，x₁为定位数据中的经度值，y₁为定位数据中的纬度值，x_n为目标位置中的经度值，y_n为目标位置的纬度值。

S103-2-5，根据第一表达式、第二表达式和ψ₁确定圆心经度值x₀和圆心纬度值y₀。

即，

1、求解第一表达式、第二表达式，得到两组(x₀，y₀)的解。

参见图2，如果第一表达式为实线所示出的圆形，A点是实线所示出圆形的圆心，即(x₁，y₁)。第二表达式为虚线所示出的圆形，B点是虚线所示出圆形的圆心，即(x_n，y_n)。

得到的两组(x₀，y₀)的解分别对应点D和点C的位置。

2、由(x₁，y₁)和(x_n，y_n)构成一条第一直线。

那么第一直线为直线AB。通过直线AB将整个平面分成两部分，一部分位于直线的左侧(也可称为上侧)，一部分位于直线的右侧(也可称为下侧)。

3、以(x₁，y₁)为起点，ψ₁为方向形成一条射线。

如图2中的射线AE。

4、以一组(x₀，y₀)的解和(x₁，y₁)形成一条第二直线。

如果将D点作为一组(x₀，y₀)的解，那么直线AD为第二直线。

5、以另一组(x₀，y₀)的解和(x₁，y₁)形成一条第三直线。

如果将C点作为另一组(x₀，y₀)的解，那么直线AC为第三直线。

6、确定射线和第一直线之间的第一位置关系，确定第二直线和第一直线之间的第二位置关系，确定第三直线和第一直线之间的第三位置关系。

由图2可以看出，射线AE位于第一直线AB的左侧，那么第一位置关系为左侧。第二直线AD位于第一直线AB的左侧，那么第二位置关系为左侧。第三直线AD位于第一直线AB的右侧，那么第三位置关系为右侧。

7、在第二位置关系和第三位置关系中确定目标位置关系。

其中，目标位置关系与第一位置关系不相同。

由图2可知，第二位置关系与第一位置关系相同，均是左侧。第三位置关系与第一位置关系不同。

因此，第三位置关系为目标位置关系。

8、将目标位置关系对应的一组(x₀，y₀)解确定为最终的(x₀，y₀)。

将第三位置关系对应的C的坐标确定为最终的(x₀，y₀)。

也就是说，圆心经为图2中的C点。

S103-2-6，根据x₀、y₀、x₁和y₁确定飞行位置。

具体的，

1、计算纬度调整值

其中，R₁为极半径，R₁＝6356909米，R₂为赤道半径，R₂＝6377830米。

2、计算经度调整值

3、计算经度距离差

其中，d₀为安全差距，d₀＝1000米，α为偏移角。

其中，β₁为航向角调整系数，若ψ₁指向当前飞行方向左侧，则β₁＝-1，否则，β₁＝1，β₂为速度调整倍数，β₂＝5。

仍以图2所示，如果无人机当前飞行方向为A至B的方向，那么ψ₁指向为射线AE的方向，此时ψ₁指向当前飞行方向左侧，那么β₁＝-1。

如果无人机当前飞行方向为A至D的方向，那么ψ₁指向为射线AE的方向，此时ψ₁指向当前飞行方向右侧，那么β₁＝1。

4、计算纬度距离差

5、计算飞行位置的经度

6、计算飞行位置的纬度

S103-3，如果不存在障碍物，则将无人机与飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

如果不存在障碍物，那么计算出的下时刻的位置即为下一时刻无人机的飞行位置，因此将无人机与飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航。通过将从卫星导航信号被遮挡物遮挡时的位置到最终的目标位置细切为无线多个小时刻的飞行位置，通过此种微分方式将一个长距离导航划分为多个短距离导航，不仅确保了准确的到达最终的目标位置，而且保证了飞行过程中的精确导航。

S103-4，如果存在障碍物，则根据障碍物和飞行位置确定飞行调整位置，并将无人机与飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

具体的，

S103-4-1，根据障碍物与无人机之间的距离确定距离差d₁。

距离差d₁表征了该障碍物与无人机之间的距离，如果该距离越小，说明障碍物与无人机越近，如果按S103-2得到的飞行位置导航会发生与障碍物的碰撞，因此需要对S103-2得到的飞行位置进行调整。障碍物与无人机越远，如果按S103-2得到的飞行位置导航发生与障碍物的碰撞的可能性较小，因此按S103-2得到的飞行位置导航。

S103-4-2，如果d₁>β₃*无人机的轴距，则将无人机与飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

其中，β₃为安全倍数，β₃＝2。

如果d₁>β₃*无人机的轴距说明障碍物与无人机的位置足够远，按S103-2得到的飞行位置导航不会发生碰撞，因此将无人机与飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

S103-4-4，如果d₁≤β₃*无人机的轴距，则根据距离、障碍物和飞行位置确定飞行调整位置，并将无人机与飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

如果d₁≤β₃*无人机的轴距说明障碍物与无人机的位置不够远，按S103-2得到的飞行位置导航会发生碰撞，因此需要先根据距离、障碍物和飞行位置确定飞行调整位置，再将无人机与飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

其中，根据距离、障碍物和飞行位置确定飞行调整位置的过程为：

1、确定调整半径R′＝R+d₁+无人机的轴距。

2、计算经度调整距离差

3、计算纬度调整距离差

4、计算飞行调整位置的经度

5、计算飞行调整位置的纬度

也就是仍以S103-2-5中确定的圆心为调整后的圆心，仅将半径进行了延长，使得无人机的绕过该障碍物进行飞行，避免与障碍物进行碰撞。

S104，每当满足预设条件时重复执行S103直至到达目标位置，或者，卫星导航信号恢复。

其中预设条件为：检测到存在新障碍物，或者，距离上一次执行步骤S103的间隔时间达到预设步长时间(如2分钟)。

通过不同的确定未来预设步长时间后的位置，控制无人机向其飞行，实现在卫星导航信号被遮挡物遮挡时向目标位置的导航。

本实施例提供的方法，通过将从卫星导航信号被遮挡物遮挡时的位置到最终的目标位置细切为无线多个小时刻的飞行位置，通过此种微分方式将一个长距离导航划分为多个短距离导航，不仅确保了准确的到达最终的目标位置，而且保证了飞行过程中的精确导航。

有益效果：在确定卫星导航信号中断后，确定卫星导航信号未中断时最后的定位数据；持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物；根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航；每当满足预设条件时重复执行根据定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航的步骤直至到达目标位置，或者，卫星导航信号恢复。本实施例提供的方法在确定卫星导航信号中断后，通过卫星导航信号未中断时最后的定位数据和持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物的检测结果对无人机进行导航，实现了在卫星导航信号被遮挡物遮挡时的导航。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无人机导航方法，其特征在于，所述方法包括：

S101，在确定卫星导航信号中断后，确定卫星导航信号未中断时最后的定位数据；

S102，持续检测无人机预设范围内是否存在新障碍物；

S103，根据所述定位数据和是否存在新障碍物的检测结果对所述无人机进行导航；

S104，每当满足预设条件时重复执行S103直至到达目标位置，或者，卫星导航信号恢复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S102，包括：

S102-1，持续以预设范围为半径，以所述无人机为球心的球形范围内检测是否存在障碍物；

S102-2，若存在障碍物，则确定障碍物与所述无人机之间的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设条件为：检测到存在新障碍物，或者，距离上一次执行步骤S103的间隔时间达到预设步长时间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S103，包括：

S103-1，获取预先存储在所述无人机中的目标位置；

S103-2，根据所述定位数据和目标位置，确定飞行位置；

S103-3，如果不存在障碍物，则将所述无人机与所述飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航；

S103-4，如果存在障碍物，则根据所述障碍物和所述飞行位置确定飞行调整位置，并将所述无人机与所述飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述定位数据包括经度值x₁和纬度值y₁；所述目标位置包括经度值x_n和纬度值y_n；

所述S103-2，包括：

S103-2-1，获取初始时刻所述无人机的速度v₁、倾斜角γ₁和航向角ψ₁，其中，初始时刻为卫星导航信号未中断时最后的定位数据所对应的时刻；

S103-2-2，确定半径

其中，g为重力加速度；

S103-2-3，确定第一表达式为(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝R²；

S103-2-4，确定第二表达式为(x_n-x₀)²+(y_n-y₀)²＝R²；

S103-2-5，根据第一表达式、第二表达式和ψ₁确定圆心经度值x₀和圆心纬度值y₀；

S103-2-6，根据x₀、y₀、x₁和y₁确定飞行位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S103-2-5，包括：

求解第一表达式、第二表达式，得到两组(x₀，y₀)的解；

由(x₁，y₁)和(x_n，y_n)构成一条第一直线；

以(x₁，y₁)为起点，ψ₁为方向形成一条射线；

以一组(x₀，y₀)的解和(x₁，y₁)形成一条第二直线；

以另一组(x₀，y₀)的解和(x₁，y₁)形成一条第三直线；

确定所述射线和所述第一直线之间的第一位置关系，确定所述第二直线和所述第一直线之间的第二位置关系，确定所述第三直线和所述第一直线之间的第三位置关系；

在所述第二位置关系和所述第三位置关系中确定目标位置关系，所述目标位置关系与所述第一位置关系不相同；

将目标位置关系对应的一组(x₀，y₀)解确定为最终的(x₀，y₀)。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S103-2-6，包括：

计算纬度调整值

其中，R₁为极半径，R₂为赤道半径；

计算经度调整值

计算经度距离差

其中，d₀为安全差距，α为偏移角；

计算纬度距离差

计算飞行位置的经度

计算飞行位置的纬度

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

其中，β₁为航向角调整系数，若ψ₁指向当前飞行方向左侧，则β₁＝-1，否则，β₁＝1，β₂为速度调整倍数。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S103-4，包括：

S103-4-1，根据障碍物与所述无人机之间的距离确定距离差d₁；

S103-4-2，如果d₁>β₃*所述无人机的轴距，则将所述无人机与所述飞行位置之间的角度作为新的导航角进行导航；其中，β₃为安全倍数；

S103-4-4，如果d₁≤β₃*所述无人机的轴距，则根据所述距离、所述障碍物和所述飞行位置确定飞行调整位置，并将所述无人机与所述飞行调整位置之间的角度作为新的导航角进行导航。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述距离、所述障碍物和所述飞行位置确定飞行调整位置，包括：

确定调整半径R′＝R+d₁+无人机的轴距；

计算经度调整距离差

计算纬度调整距离差

计算飞行调整位置的经度

计算飞行调整位置的纬度

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