CN116013113B - 一种无人机航线安全检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机航线安全检测方法，包括以下步骤：获取三维地理数据并对数据进行处理，加载三维地形数据和航线数据，构建三维场景；在三维场景中构建局部三维坐标系，将航线数据的坐标转换为局部坐标系坐标；在局部三维坐标系中以相邻两个航线航点作为一个分析单位，根据每段航线的两个航点求取周围的安全检测点；根据当前安全检测点进行航线安全检测；重复上述步骤直到完成整条航线上所有航段的航线安全检测，并对每段航线的安全检测结果进行可视化展示。本发明通过对无人机航线在实际三维地理空间中的安全性进行分析，并可视化展示航线存在的安全隐患；分析航线在实际三维空间环境中的安全性、可靠性，辅助航线设计合理优化。

Description

一种无人机航线安全检测方法
技术领域
本发明涉及无人飞行器领域，具体包括一种无人机航线安全检测方法。
背景技术
人机航空摄影测量，因其具有机动灵活、成本低、使用方便、安全系数较高等优势，已成为一种获取地理空间数据(如DOM、DLG、DEM、三维模型等数据产品)的重要技术手段，并应用于基础测绘、交通、安防、应急、水文水利、国土规划等诸多领域。低空无人机航空摄影测量的航线(包括平高航线、仿地航线及曲线航线)一般是在二维平面上设计的，且行高相对较低，难以顾及飞行航线与周围地理环境冲突或距离过近等问题；此外，轻小型无人机受气候因素影响大，其实际飞行航线常与设计航线存在偏差。这些问题使得航摄无人机在地形起伏较大和气候环境较差的区域作业时存在很大的安全隐患，因此，为了确保低空无人机航空摄影测量的航飞安全，应在无人机起飞前对设计的航线进行有效的安全检测。
目前，低空无人机航空摄影测量已经应用于地理测绘、应急救灾、农业估产、水利电力工程建设、国土资源规划等方面。然而，传统无人机航摄作业航线设计往往是在二维平面上设计的，没有参考三维地形数据，使得设计出的航线在真实三维环境中可能存在与周围地形环境冲突或距离过近等问题，影响了无人机作业时的飞行安全。
此外，轻小型无人机抗风能力较差，在气候环境的作用下也可能会使无人机与设计航线产生偏差，航线设计时也没能为无人机设计一定距离的安全缓冲范围。
综上所述，针对低空无人机航摄作业在地形起伏较大和气候环境较差环境下的航线安全问题，需要开展航线安全检测方法研究。即提出并实现一种无人机航线安全检测方法，该方法结合现有三维地形数据，根据给出一定的航线安全缓冲范围，分析设计的航线在三维空间中的安全性、可靠性，进而确保实际作业中无人机飞行的安全。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种无人机航线安全检测方法解决了现有二维平面上设计的低空无人机航空摄影测量的航线难以顾及飞行航线与周围地理环境冲突或距离过近，且轻小型无人机抗风能力较差容易与设计航线产生偏差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种无人机航线安全检测方法，包括以下步骤：
S1、获取三维地理数据并对数据进行处理，加载三维地形数据和航线数据，构建三维场景；
S2、在三维场景中构建局部三维坐标系，将航线数据的坐标转换为局部坐标系坐标；
S3、在局部三维坐标系中以相邻两个航线航点作为一个分析单位，根据每段航线的两个航点求取周围的安全检测点；
S4、根据当前安全检测点进行航线安全检测；
S5、重复步骤S3至步骤S4直到完成整条航线上所有航段的航线安全检测，并对每段航线的安全检测结果进行可视化展示。
进一步地，步骤S1的具体实施方式如下：
S1-1、获取开源的三维地理数据和自己收集的三维地理数据；
S1-2、使用GIS软件对自己收集的地理数据进行合并、裁剪、投影、重采样的操作，得到处理后的数据，将处理后的数据和开源的三维地理数据整理出所要使用的区域的三维地理数据；
S1-3、构建三维场景，并将所要使用的区域的三维地理数据和航线的三维数据加载到三维场景中。
进一步地，步骤S2的具体实施方式如下：
S2-1、获取三维场景中的最小经度值和最小纬度值；
S2-2、将最小经度和最小纬度的交点作为坐标系原点，以正东方向为X轴方向，以正北方向为Y轴方向，过坐标系原点竖直向上作为Z轴，构成局部三维坐标系；
S2-3、将航线上的航点坐标转换为局部坐标系中的坐标。
进一步地，步骤S3的具体实施方式如下：
S3-1、确定航段起点P0坐标(X0,Y0,Z0)，航段终点P1坐标(X1,Y1,Z1)；
S3-2、使P0C0垂直于P0P1且OC0、OP0、OP1三个向量共面，并根据公式：
得到非齐次线性方程组Ax′＝B，并根据x′＝A+B得到方程组的特解x0；其中，OP0×OP1的结果为(Xf,Yf,Zf)；O为坐标原点；A+为系数矩阵A的广义逆，A+＝AH(AAH)-1，AH表示系数矩阵A的共轭转置矩阵；
S3-3、对P0x0向量单位化，并增加安全缓冲距离d，得到第一个安全检测点C0(x1,y1,z1)点的坐标；
S3-4、根据C0(x1,y1,z1)点的坐标，取P0C0向量的负值，得到第二个安全检测点C4的坐标；
S3-5、使P0C2垂直于P0P1和P0C0，使向量P0P1叉乘P0C0得到P0C2的方向向量，将P0C2的方向向量进行单位化并乘以d得到安全检测点C2的坐标；
S3-6、获取安全检测点C1的坐标值；其中C1点位于C0和C2之间，向量P0C1的方向为向量P0C0加向量P0C2的方向，C1的坐标值通过对P0C1方向向量单位化后乘以距离d得到；获取安全检测点C3的坐标；其中C3位于C2和C4之间，向量P0C1的方向为向量P0C2加向量P0C4的方向，C3的坐标值通过对P0C3方向向量单位化后乘以距离d得到；
S3-7、取向量P0C1、P0C2、P0C3的负值，分别得到安全检测点C5、安全检测点C6、安全检测点C7的坐标。
进一步地，步骤S4的具体实施方式如下：
S4-1、在三维场景中，以每个安全检测点作为射线的起点，以向量P0P1的方向为射线方向，使射线和航段的航线在空间中平行，得到航段的航线起点周围的检测点对应的检测射线；
S4-2、判断射线是否与地形相交，若是，进入步骤S4-3；否则，判定该段航线不存在安全隐患；
S4-3、分别计算每个检测射线的检测点到与地形交点的距离L，将航段的航线的距离记为D；
S4-4、比较每一个检测射线的检测点到与地形交点的距离L和航段的航线的距离D的大小；若任一检测射线的检测点到与地形交点的距离L小于航段的航线的距离D，则判定该段航线存在安全隐患；否则，判定该段航线不存在安全隐患。
本发明的有益效果为：本发明可以有效地对无人机航线在实际三维地理空间中的安全性进行检测分析，并可视化展示航线存在安全隐患的部分。基于现有三维地理数据，在三维空间中构建航线安全缓冲区，分析航线在实际三维空间环境中的安全性、可靠性，辅助航线设计合理优化，确保无人机沿航线飞行安全。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为作业范围局部坐标系示意图；
图3为检测点计算示意图；
图4为安全检测点分布示意图；
图5为航线安全检测方法示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种无人机航线安全检测方法，包括以下步骤：
S1、获取三维地理数据并对数据进行处理，加载三维地形数据和航线数据，构建三维场景；
S2、在三维场景中构建局部三维坐标系，将航线数据的坐标转换为局部坐标系坐标；
S3、在局部三维坐标系中以相邻两个航线航点作为一个分析单位，根据每段航线的两个航点求取周围的安全检测点；
S4、根据当前安全检测点进行航线安全检测；
S5、重复步骤S3至步骤S4直到完成整条航线上所有航段的航线安全检测，并对每段航线的安全检测结果进行可视化展示。
步骤S1的具体实施方式如下：
S1-1、获取开源的三维地理数据和自己收集的三维地理数据；
S1-2、使用GIS软件对自己收集的地理数据进行合并、裁剪、投影、重采样的操作，得到处理后的数据，将处理后的数据和开源的三维地理数据整理出所要使用的区域的三维地理数据；
S1-3、构建三维场景，并将所要使用的区域的三维地理数据和航线的三维数据加载到三维场景中。
步骤S2的具体实施方式如下：
S2-1、获取三维场景中的最小经度值和最小纬度值；
S2-2、将最小经度和最小纬度的交点作为坐标系原点，以正东方向为X轴方向，以正北方向为Y轴方向，过坐标系原点竖直向上作为Z轴，构成局部三维坐标系；
S2-3、将航线上的航点坐标转换为局部坐标系中的坐标。
步骤S3的具体实施方式如下：
S3-1、确定航段起点P0坐标(X0,Y0,Z0)，航段终点P1坐标(X1,Y1,Z1)；
S3-2、使P0C0垂直于P0P1且OC0、OP0、OP1三个向量共面，并根据公式：
得到非齐次线性方程组Ax′＝B，并根据x′＝A+B得到方程组的特解x0；其中，OP0×OP1的结果为(Xf,Yf,Zf)；O为坐标原点；A+为系数矩阵A的广义逆，A+＝AH(AAH)-1，AH表示系数矩阵A的共轭转置矩阵；
S3-3、对P0x0向量单位化，并增加安全缓冲距离d，得到第一个安全检测点C0(x1,y1,z1)点的坐标；
S3-4、根据C0(x1,y1,z1)点的坐标，取P0C0向量的负值，得到第二个安全检测点C4的坐标；
S3-5、使P0C2垂直于P0P1和P0C0，使向量P0P1叉乘P0C0得到P0C2的方向向量，将P0C2的方向向量进行单位化并乘以d得到安全检测点C2的坐标；
S3-6、获取安全检测点C1的坐标值；其中C1点位于C0和C2之间，向量P0C1的方向为向量P0C0加向量P0C2的方向，C1的坐标值通过对P0C1方向向量单位化后乘以距离d得到；获取安全检测点C3的坐标；其中C3位于C2和C4之间，向量P0C1的方向为向量P0C2加向量P0C4的方向，C3的坐标值通过对P0C3方向向量单位化后乘以距离d得到；
S3-7、取向量P0C1、P0C2、P0C3的负值，分别得到安全检测点C5、安全检测点C6、安全检测点C7的坐标。
步骤S4的具体实施方式如下：
S4-1、在三维场景中，以每个安全检测点作为射线的起点，以向量P0P1的方向为射线方向，使射线和航段的航线在空间中平行，得到航段的航线起点周围的检测点对应的检测射线；
S4-2、判断射线是否与地形相交，若是，进入步骤S4-3；否则，判定该段航线不存在安全隐患；
S4-3、分别计算每个检测射线的检测点到与地形交点的距离L，将航段的航线的距离记为D；
S4-4、比较每一个检测射线的检测点到与地形交点的距离L和航段的航线的距离D的大小；若任一检测射线的检测点到与地形交点的距离L小于航段的航线的距离D，则判定该段航线存在安全隐患；否则，判定该段航线不存在安全隐患。
如图2所示，在局部三维坐标系中对作业范围构建空间直角坐标系：以最小经度最小纬度交点的坐标点为坐标系原点，以正东方向为X轴方向，以正北方向为Y轴方向，过坐标系原点竖直向上作为Z轴，将航线上航点的坐标转换为局部坐标系中的坐标表示，单位为米。
如图3和图4所示，在一个实施例中，求取安全检测点C0的坐标，使C0的坐标满足空间向量P0C0垂直于P0P1；OC0、OP0、OP1三个向量位于同一平面；P0C0的距离为d；航段起点P0，航段终点P1；根据安全检测点C0的坐标求得的8个安全检测点均匀分布在航段起点P0的周围。
如图5所示，以每个安全检测点作为射线的起点，以向量P0P1的方向为射线方向，在三维场景中通过所有的航线安全检测点，沿着该段航线平行方向做射线检测。
在本发明的一个实施例中，开源的影像数据在地理数据网站下载和从Cesium地球框架直接获取。
在四川省西部山区某地区进行无人机航空摄影测量仿真实验，测区位于山谷区域，采用条带状航线设计，设计航线高度150m，航向重叠度80％，旁向重叠度60％，设置航线安全范围5m，经过航线安全检测分析，在全部航线中，坐标东经103°19'14"，北纬31°4'23"，高程1622.45的航点至坐标东经103°19'2"，北纬31°4'28"，高程1622.45的航点之间的航线，在安全缓冲范围内存在障碍物，有安全隐患，建议重新设计修改该段航线。
本发明可以有效地对无人机航线在实际三维地理空间中的安全性进行检测分析，并可视化展示航线存在安全隐患的部分。基于现有三维地理数据，在三维空间中构建航线安全缓冲区，分析航线在实际三维空间环境中的安全性、可靠性，辅助航线设计合理优化，确保无人机沿航线飞行安全。

Claims (3)

1.一种无人机航线安全检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取三维地理数据并对数据进行处理，加载三维地形数据和航线数据，构建三维场景；
S2、在三维场景中构建局部三维坐标系，将航线数据的坐标转换为局部坐标系坐标；
S3、在局部三维坐标系中以相邻两个航线航点作为一个分析单位，根据每段航线的两个航点求取周围的安全检测点；
步骤S3的具体实施方式如下：
S3-1、确定航段起点P0坐标(X0,Y0,Z0)，航段终点P1坐标(X1,Y1,Z1)；
S3-2、使P0C0垂直于P0P1且OC0、OP0、OP1三个向量共面，并根据公式：
得到非齐次线性方程组Ax′＝B，并根据x′＝A+B得到方程组的特解x0；其中，OP0×OP1的结果为(Xf,Yf,Zf)；O为坐标原点；A+为系数矩阵A的广义逆，A+＝AH(AAH)-1，AH表示系数矩阵A的共轭转置矩阵；
S3-3、对P0x0向量单位化，并增加安全缓冲距离d，得到第一个安全检测点C0(x1,y1,z1)点的坐标；
S3-4、根据C0(x1,y1,z1)点的坐标，取P0C0向量的负值，得到第二个安全检测点C4的坐标；
S3-5、使P0C2垂直于P0P1和P0C0，使向量P0P1叉乘P0C0得到P0C2的方向向量，将P0C2的方向向量进行单位化并乘以d得到安全检测点C2的坐标；
S3-6、获取安全检测点C1的坐标值；其中C1点位于C0和C2之间，向量P0C1的方向为向量P0C0加向量P0C2的方向，C1的坐标值通过对P0C1方向向量单位化后乘以距离d得到；获取安全检测点C3的坐标；其中C3位于C2和C4之间，向量P0C1的方向为向量P0C2加向量P0C4的方向，C3的坐标值通过对P0C3方向向量单位化后乘以距离d得到；
S3-7、取向量P0C1、P0C2、P0C3的负值，分别得到安全检测点C5、安全检测点C6、安全检测点C7的坐标；
S4、根据当前安全检测点进行航线安全检测；
步骤S4的具体实施方式如下：
S4-1、在三维场景中，以每个安全检测点作为射线的起点，以向量P0P1的方向为射线方向，使射线和航段的航线在空间中平行，得到航段的航线起点周围的检测点对应的检测射线；
S4-2、判断射线是否与地形相交，若是，进入步骤S4-3；否则，判定该段航线不存在安全隐患；
S4-3、分别计算每个检测射线的检测点到与地形交点的距离L，将航段的航线的距离记为D；
S4-4、比较每一个检测射线的检测点到与地形交点的距离L和航段的航线的距离D的大小；若任一检测射线的检测点到与地形交点的距离L小于航段的航线的距离D，则判定该段航线存在安全隐患；否则，判定该段航线不存在安全隐患；
S5、重复步骤S3至步骤S4直到完成整条航线上所有航段的航线安全检测，并对每段航线的安全检测结果进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的一种无人机航线安全检测方法，其特征在于，步骤S1的具体实施方式如下：
S1-1、获取开源的三维地理数据和自己收集的三维地理数据；
S1-2、使用GIS软件对自己收集的地理数据进行合并、裁剪、投影、重采样的操作，得到处理后的数据，将处理后的数据和开源的三维地理数据整理出所要使用的区域的三维地理数据；
S1-3、构建三维场景，并将所要使用的区域的三维地理数据和航线的三维数据加载到三维场景中。
3.根据权利要求2所述的一种无人机航线安全检测方法，其特征在于，步骤S2的具体实施方式如下：
S2-1、获取三维场景中的最小经度值和最小纬度值；
S2-2、将最小经度和最小纬度的交点作为坐标系原点，以正东方向为X轴方向，以正北方向为Y轴方向，过坐标系原点竖直向上作为Z轴，构成局部三维坐标系；
S2-3、将航线上的航点坐标转换为局部坐标系中的坐标。
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