CN116430906B - 一种基于凸点平移的无人机动态避障方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于凸点平移的无人机动态避障方法、系统、设备及介质，其目的在于解决现有技术中无人机在避障时存在的安全性较低、实时性较差的技术问题。在避障时不考虑从障碍物的上方或下方绕过障碍物，仅考虑从障碍物的左侧或右侧绕过障碍物，避障计算时去掉高程值，仅计算了横纵坐标；先将障碍物转换为凸多边形障碍区域，并向外进行膨胀得到危险飞行区域，然后判断危险飞行区域与航行线路是否存在交点，判断是否需要在航行线路中增加中间路径点。避障计算时去掉了高程值，只保留横纵坐标，避障计算的计算量大幅减小,无人机避障的实时性显著提高；对障碍区域进行膨胀处理，充分考虑无人机飞行的安全距离，无人机避障的安全性也大大提高。

Description

一种基于凸点平移的无人机动态避障方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于无人机技术领域，涉及无人机的避障方法，尤其涉及一种基于凸点平移的无人机动态避障。

背景技术

无人机路径规划的目的是在未知或已知障碍物信息和硬件条件的约束下，规划当前位置和目标地址之间的最优路径。无人机一般分为旋翼无人机与固定翼无人机，固定翼无人机，速度快，在低空飞行时出现障碍物或者障碍区域，容易受到损伤。目前无人机使用大多数为多无人机协同工作，而非单个无人机独立工作，多无人机协同飞行或者按照编队飞行，也需要考虑无人机间的防撞，但由于固定翼无人机的速度较快，因此对于避障算法的安全性与实时性要求较高。

现有技术中，无人机主要通过位置坐标等方式来实现避障，并协助有视觉、红外近场等技术。

比如，申请号为202310186079.0的发明专利申请就公开了一种林下避障无人机的避障方法，其是利用主从处理器协同+双目视觉摄像头以及激光传感器进行避障处理；将处理结果传输到主处理器，主处理器根据协处理器数据进行避障处理；无人机根据目标坐标和本身坐标位置首先制定出预定路径，然后利用主处理器中的结果避障，重新规划路径，规划路径原则为到目标位置路线最短；采取对双目摄像头的图像进行叠加方法计算出前方物体的距离和方位，避障同时利用蚁群算法进行路径规划处理，得出到达目标的最优路线。

再比如，申请号为202310272598.9的发明专利申请就公开了一种无人机动态避障方法及系统，其是通过定期检测时域窗口内预规划路径上是否存在突发障碍物，如果存在，获取障碍物边缘特征点；根据障碍物边缘特征点和无人机最大转弯角度，去除障碍物前的不安全航路点，添加避障航路点绕过障碍物；根据避障航路点和无人机最大转弯角度，更新障碍物后的航路点，得到时域窗口内的新规划路径；当无人机飞过任一航路点，滚动时域窗口，添加新的预规划航路点，通过上一步骤定期检测滚动后的时域窗口内预规划路径上是否存在突发障碍物。实现了资源和时限受限时无人机的快速避障。

但是，现有技术中，在通过位置坐标进行避障计算时，是获取无人机、障碍物的立体坐标，并将立体坐标数据导入后续的避障算法中，这样必然就造成了算法的计算量大大增加、避障的实时性也大大延迟，无人机航线的安全性也就大幅降低。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有技术中固定翼无人机在避障时存在的安全性较低、实时性较差的技术问题，本发明提供一种基于凸点平移的无人机动态避障方法、系统、设备及介质，在不考虑爬升或俯冲从障碍物的上方或下方绕过障碍物、仅考虑从障碍物的左侧或右侧规划子路径点，绕过障碍物，提高固定翼无人机避障的安全性和实时性。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于凸点平移的无人机动态避障方法，包括如下步骤：

对于已知障碍物的坐标边界点，去除凹点，得到去除凹点后的凸多边形障碍区域，将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域；其中，膨胀距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

根据无人机当前位置的横纵坐标以及下一航点的横纵坐标，判断无人机在当前位置沿直线飞行到下一航点的预期航行路线是否与危险飞行区域的边界存在交点；若无交点、有一个交点或者与危险飞行区域的边界中的一条边重合，则无人机按照预期航行路线飞行；若存在两个交点，则生成新的航行路线；

生成新的航行路线时，先判断危险飞行区域的几何中心与预期航行路线的位置关系，若危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路的一侧，则选择与几何中心不在同一侧的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线；若预期航行线路穿过危险飞行区域的几何中心，则选择位于预期航行线路一侧且边界长度更短的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线。

进一步地，还包括：判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行。

进一步地，将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域的具体方法为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，得到坐标点中的X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值，并根据X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值组成矩形区域；

计算矩形区域的几何中心点的坐标；

以矩形区域的几何中心点为准，将矩形区域的四个顶点向外侧移位，得到四个位移点，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d，

将四个位移点依序首尾连接成矩形，得到无人机的危险飞行区域。

进一步地，将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域的具体方法为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，计算凸多边形障碍区域的几何中心点的坐标；

以凸多边形障碍区域的几何中心点为准，将凸多边形障碍区域的每个顶点向外侧移位，得到多个移位点，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

将多个移位点依序首尾连接成凸多边形，得到无人机的危险飞行区域。

进一步地，在将中间路径点插入预期航行路线并形成新的航行路线时，是依次将当前位置、中间路径点、下一航点依次连接并圆滑处理，形成新的航行路线；

其中，中间路径点是沿绕行区域的边界从当前位置到下一航点的方向依次插入预期航行路线。

进一步地，在将中间路径点依序插入预期航行路线中形成新的航行路线后，对中间路径点进行优化，具体方法为：

在将中间路径点依序插入预期航行路线中形成新的航行路线后，对中间路径点进行优化，具体方法为：

判断航点是否可以删除：选择航行路线中前三个航点，先判断这三个航点中第一个航点与第三个航点的长度H是否大于固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离L；若长度H小于最短距离L，则第二个航点不能删除掉；若长度H大于或等于最短距离L，再进一步判断第一个航点与第三个航点的连线与凸多边形障碍区域、危险飞行区域是否均无交点；若有交点，则第二个航点不能删除掉；若无交点，则再进一步判断第一个航点与第三个航点连线后航线在第一个航点、第三个航点处的夹角是否大于无人机的最小转弯角度；若小于，则第二个航点不能删除掉；若大于或等于，则删除第二个航点，将第一个航点与第三个航点连起来并更新航行路线；

重复上述判断航点是否可以删除的步骤，筛选出可以删除的航点并更新航行路线。

一种基于凸点平移的无人机动态避障系统，包括：

危险飞行区域模块，用于对于已知障碍物的坐标边界点，去除凹点，得到去除凹点后的凸多边形障碍区域，将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域；其中，膨胀距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

边界交点判断模块，用于根据无人机当前位置的横纵坐标以及下一航点的横纵坐标，判断无人机在当前位置沿直线飞行到下一航点的预期航行路线是否与危险飞行区域的边界存在交点；若无交点、有一个交点或者与危险飞行区域的边界中的一条边重合，则无人机按照预期航行路线飞行；若存在两个交点，则生成新的航行路线；

新航线生成模块，用于在生成新的航行路线时，先判断危险飞行区域的几何中心与预期航行路线的位置关系，若危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路的一侧，则选择与几何中心不在同一侧的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线；若预期航行线路穿过危险飞行区域的几何中心，则选择位于预期航行线路一侧且边界长度更短的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线。

进一步地，还包括：最小转弯角判断模块，用于判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述的基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。

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，使得所述处理器执行上述的基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。

本发明的有益效果如下：

1、本发明中，不考虑无人机通过爬升或俯冲从障碍物的上方或下方绕过障碍物的方式，仅考虑从障碍物左侧或右侧绕过障碍物，因此计算的过程中去掉了高程值，只保留横纵坐标，因而在进行避障计算时，算法程序化，工作量小，计算量大幅减小,无人机避障的实时性显著提高；此外，本发明还对障碍区域进行膨胀处理，膨胀处理时充分考虑无人机飞行的安全距离，从而对无人机避障的安全性也大大提高。

2、本发明中，主要采用简单的几何数学知识，具体体现在算法中采用了较多的求交点、对数组进行排序、求障碍区域的几何中心，算法原理简单，难度小。

3、本发明中，避障算法的局限性较少，避障算法没有众多的约束条件，只需要明确输入航线、障碍区域的边界点、安全距离、航线角度限制等。

4、本发明中，使用的方法实现方式较多，对于判断航点是否在凸的障碍区域内，可采用二维向量叉乘法、射线法、面积法等，在轨迹圆滑部分，可采用B样条曲线法、圆弧段串联法、平滑算子法、滤波法等方法实现。

5、本发明中，避障算法致力于找出一条基于安全方面的最短路径，致力于判断膨胀后的凸边型是否与航线相交，从而对航线进行合理性的检查，比如删除锐角，使其平滑，保证了无人机飞行的安全。

6、本发明中，对生成的新航行路线进行中间路径点的优化，通过依次判断每三个相邻路径点中第一个路径点与第三个路径点的长度H是否大于最短距离L、第一个路径点和第三个路径点的连线与凸多边形障碍区域和危险飞行区域是否均无交点、以及第一个路径点和第三个路径点的连线与新航行线路在第一个路径点、第三个路径点处的夹角是否大于无人机的最小转弯角度，来确定是否优化第二个路径点；通过上述方法，对新生成的航行线路进行优化，缩短航行线路的长度。

7、由于无人机转弯时有特定的最小转弯角度，若航行线路中存在转弯角度小于无人机的最小转弯角度，那么无人机在沿航行线路进行航行时，极易影响无人机的飞行安全，或者致使无人机偏离航行线路。因此，本发明中，还对新生成的航行路线中的各个路径点的角度进行无人机的最小转弯角度判断，根据最小转弯角度的判断结果，若转弯角度较小，则对该路径点进行前后平移，从而将原来的小角度转弯调整成两个更大的转弯角度，确保无人机的航行安全，尤其是转弯时的飞行安全。

附图说明

图1是障碍区域经初始矩形并膨胀后的绕过障碍物的示意图；

图2是障碍区域直接进行膨胀后的绕过障碍物的示意图；

图3是生成多个中间路径点后绕过障碍物的示意图；

图4是本发明在对小锐角的不规则区域避障处理前的示意图；

图5是本发明在对小锐角的不规则区域避障处理后的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种基于凸点平移的无人机动态避障方法，其在进行避障时，不考虑无人机通过爬升或俯冲从障碍物的上方或下方绕过障碍物的方式，仅考虑从障碍物的左侧或右侧绕过障碍物，因此去掉高程值，只保留横纵坐标、无人机的转弯角度限制、无人机与障碍区域保持的安全距离d、固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离等。其具体避障的步骤为：

对于已知障碍物的坐标边界点，去除凹点，将障碍物的边界变成凸多边形，得到去除凹点后的凸多边形障碍区域。再将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域。该危险飞行区域为危险区域，若无人机在沿航行线路飞行时若会穿过该危险飞行区域，则无人机是有可能撞上障碍物，影响飞行安全；无人机航行时，应避开该危险飞行区域。

在进行膨胀处理时，膨胀距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d，得到无人机的危险飞行区域。

在该步骤中，设定去除凹点后的凸多边形障碍区域的边界，边界点是按照逆时针或顺时针的顺序依次排列的，其中/>表示凸多边形障碍区域的边界顶点的个数。

本实施例中，在将凸多边形障碍区域向外膨胀得到危险飞行区域时，具体有两种处理方式：

如图1所示，第一种处理方法为矩形膨胀，其是在障碍区域外划出一个最小的外接正方形或长方形，然后将其进行膨胀处理，得到一个安全区域，再判断航线与该安全区域是否有交点,并以此判断当前航线是否安全。具体方法为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，选择所有顶点的坐标中横、纵坐标中最大、最小的值，得到坐标点中的X最大值(Xmax)、X最小值(Xmin)、Y最大值(Ymax)和Y最小值(Ymin)；根据X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值组成矩形区域，具体是分别以X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值画四根线，四根线形成四个交点，四个交点所围成的矩形区域或正方形区域，即为最后所需的用于判断航行路线是否安全的矩形区域。

计算矩形区域的几何中心点的坐标。

计算矩形区域的几何中心点的坐标，这是现有技术，几何中心点的横坐标X为：X=(Xmin+Xmax)/2,几何中心点的纵坐标Y为：Y=(Xmin+Xmax)/2。

以矩形区域的几何中心点为基准，将矩形区域的四个顶点向外侧移位，得到四个位移点。

在进行向外侧移位时，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d（预设值）。位移时，具体就是将几何中心点到对应顶点的连线并继续向外延伸，延伸的距离就是安全距离d。

将四个位移点依序首尾连接成矩形（也可能是正方形），该矩形所对应的矩形区域，即为得到的无人机的危险飞行区域。无人机在危险飞行区域以外进行飞行时，无人机的飞行是安全的，不会撞上障碍物；若无人机在危险飞行区域以内进行飞行时，无人机是有可能撞到障碍物，无人机的飞行是不安全的。

如图2所示，第二种处理方法是凸多边形膨胀，其是直接将凸多边形障碍区域以其几何中心为中心，向外进行膨胀，得到一个安全区域，再判断航线与该安全区域是否有交点,并以此判断当前航线是否安全。具体步骤为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，计算凸多边形障碍区域的几何中心点的坐标。

此处在根据每个顶点的坐标点计算其几何中心点的坐标时，这是现有技术，直接采用现有技术中的计算方式即可，本实施例在此就不再赘述了。

以凸多边形障碍区域的几何中心点为基准，将凸多边形障碍区域的每个顶点向外侧移位，得到多个移位点，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d。

位移时，具体就是将几何中心点到对应顶点的连线并继续向外延伸，延伸的距离就是安全距离d。

将多个移位点依序首尾连接成凸多边形，凸多边形所对应的凸多边形区域，即为得到的无人机的危险飞行区域。无人机在危险飞行区域以外进行飞行时，无人机的飞行是安全的，不会撞上障碍物；若无人机在危险飞行区域以内进行飞行时，无人机是有可能撞到障碍物，无人机的飞行是不安全的。

在得到无人机的危险飞行区域后，接下来将判断无人机沿预期航行线路飞行时是否会进入危险飞行区域。具体方式为：

根据无人机当前位置的横纵坐标以及下一航点的横纵坐标，判断无人机在当前位置沿直线飞行到下一航点的预期航行路线是否与危险飞行区域的边界存在交点。

若预期航行路线与危险飞行区域无交点，则表示预期航行路线安全，无人机按照预期航行路线飞行。

若预期航行路线与危险飞行区域有一个交点，则表示无人机将擦点飞过危险飞行区域，但由于危险飞行区域是进行了膨胀处理后形成的区域，该预期航行路线还是安全的，无人机可以继续按照预期航行路线飞行。

若预期航行路线与危险飞行区域的边界中的一条边重合，则表示无人机将擦边飞过危险飞行区域，但由于危险飞行区域是进行了膨胀处理后形成的区域，该预期航行路线还是安全的，无人机可以继续按照预期航行路线飞行。

若预期航行路线与危险飞行区域存在两个交点，则无人机沿预期航行路线飞行时将穿过危险飞行区域，那么无人机就有撞上障碍物的可能，预期航行路线不安全，需要重新生成新的航行路线。

在生成新的航行路线时，由于需要从障碍物一侧绕飞，因而需要选择从障碍物的哪一侧进行绕飞，并根据选择的绕飞方向生成中间路径点。具体为：

先判断危险飞行区域的几何中心与预期航行线路的位置关系。根据同一平面内点与线的位置，点可能位于线的一侧，点也可能位于线上。所以，几何中心与预期航行线路的位置关系为：1、几何中心位于预期航行线路的一侧（可以在左侧、可以在右侧）；2、几何中心位于预期航行线路上。

如图3所示，再根据位置关系，执行相应的处理。若危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路的一侧，则选择与几何中心不在同一侧的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的边界的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线。若预期航行线路穿过危险飞行区域的几何中心（即危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路上），则选择位于预期航行线路一侧且边界长度更短的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的边界的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线。

在将中间路径点依序插入预期航行路线中并形成新的航行路线时，是依次将当前位置、中间路径点、下一航点依次连接并圆滑处理，形成新的航行线路。其中，多个中间路径点之间可根据当前位置与下一航点的x坐标或y坐标进行大小对比，若下一航点的x坐标大于当前位置的x坐标，则对插入的中间路径点进行升序排列，并依次插入；否则，对插入的中间路径点进行降序排列，并依次插入。针对形成的新的航行路线，还可以进行圆滑处理，使航行线路变得更加平滑，无人机的飞行更加平稳。

在将中间路径点依序插入预期航行路线中形成新的航行路线后，还可以对中间路径点进行优化，具体方法为：

判断航点是否可以删除：选择航行路线中前三个航点（比如当前位置、第一个中间路径点、第二个中间路径点），先判断这三个航点中第一个航点与第三个航点的长度H是否大于固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离L；若长度H小于最短距离L，则第二个航点不能删除掉；若长度H大于或等于最短距离L，再进一步判断第一个航点与第三个航点的连线与凸多边形障碍区域、危险飞行区域是否均无交点；若有交点，则第二个航点不能删除掉；若无交点，则再进一步判断第一个航点与第三个航点连线后航线在第一个航点、第三个航点处的夹角是否大于无人机的最小转弯角度；若小于，则第二个航点不能删除掉；若大于或等于，则删除第二个航点，将第一个航点与第三个航点连起来并更新航行路线；

依次选择下一组三个航点（若第一个中间路径点删除了，则继续选择当前位置、第二个中间路径点、第三个重点路径点；若第一个中间路径点不删除，则继续选择第一个中间路径点、第二个中间路径点、第三个中间路径点），重复上述判断航点是否可以删除的步骤，筛选出可以删除的中间路径点并更新航行路线，得到新的航行线路。

在得到新的航行线路后，无人机是可以按照新的航行线路进行航行。但是，由于无人机转弯时有特定的最小转弯角度要求，若航行线路中存在某个/几个路径点的转弯角度小于无人机的最小转弯角度，那么无人机在沿航行线路进行航行时，极易影响无人机的飞行安全，或者致使无人机偏离航行线路。因此，有必要对新的航行线路中各路径点处的转弯角度与无人机的最小转弯角度进行比较。

本实施例增加了对新的航行线路各路径点的转弯角度是否大于无人机的最小转弯角度的判断；若新的航行线路存在某个/几个路径点的转弯角度不满足（即不大于）无人机的最小转弯角度，则需要对该路径点进行前后平移并更新航行路线。具体方式为：

判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行。

实施例2

本实施例提供一种基于凸点平移策略的无人机动态避障系统，其在进行避障时，不考虑无人机通过爬升或俯冲从障碍物的上方或下方绕过障碍物的方式，仅考虑从障碍物的左侧或右侧绕过障碍物，因此去掉高程值，只保留横纵坐标、无人机的转弯角度限制、无人机与障碍区域保持的安全距离d、固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离等。其具体包括：

危险飞行区域模块，用于对于已知障碍物的坐标边界点，去除凹点，将障碍物的边界变成凸多边形，得到去除凹点后的凸多边形障碍区域。再将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域。该危险飞行区域为危险区域，若无人机在沿航行线路飞行时若会穿过该危险飞行区域，则无人机是有可能撞上障碍物，影响飞行安全；无人机航行时，应避开该危险飞行区域。

在进行膨胀处理时，膨胀距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d，得到无人机的危险飞行区域。

在该步骤中，设定去除凹点后的凸多边形障碍区域的边界点，边界点是按照逆时针或顺时针的顺序依次排列的，其中/>表示凸多边形障碍区域的边界顶点的个数。

本实施例中，在将凸多边形障碍区域向外膨胀得到危险飞行区域时，具体有两种处理方式：

如图1所示，第一种处理方法为矩形膨胀，其是在障碍区域外划出一个最小的外接正方形或长方形，然后将其进行膨胀处理，得到一个安全区域，再判断航线与该安全区域是否有交点,并以此判断当前航线是否安全。具体方法为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，选择所有顶点的坐标中横、纵坐标中最大、最小的值，得到坐标点中的X最大值(Xmax)、X最小值(Xmin)、Y最大值(Ymax)和Y最小值(Ymin)；根据X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值组成矩形区域，具体是分别以X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值画四根线，四根线形成四个交点，四个交点所围成的矩形区域或正方形区域，即为最后所需的用于判断航行路线是否安全的矩形区域。

计算矩形区域的几何中心点的坐标。

计算矩形区域的几何中心点的坐标，这是现有技术，几何中心点的横坐标X为：X=(Xmin+Xmax)/2,几何中心点的纵坐标Y为：Y=(Xmin+Xmax)/2。

以矩形区域的几何中心点为基准，将矩形区域的四个顶点向外侧移位，得到四个位移点。

在进行向外侧移位时，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d（预设值）。位移时，具体就是将几何中心点到对应顶点的连线并继续向外延伸，延伸的距离就是安全距离d。

将四个位移点依序首尾连接成矩形（也可能是正方形）,该矩形所对应的矩形区域，即为得到的无人机的危险飞行区域。无人机在危险飞行区域以外进行飞行时，无人机的飞行是安全的，不会撞上障碍物；若无人机在危险飞行区域以内进行飞行时，无人机是有可能撞到障碍物，无人机的飞行是不安全的。

如图2所示，第二种处理方法是凸多边形膨胀，其是直接将凸多边形障碍区域以其几何中心为中心，向外进行膨胀，得到一个安全区域，再判断航线与该安全区域是否有交点,并以此判断当前航线是否安全。具体步骤为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，计算凸多边形障碍区域的几何中心点的坐标。

此处在根据每个顶点的坐标点计算其几何中心点的坐标时，这是现有技术，直接采用现有技术中的计算方式即可，本实施例在此就不再赘述了。

以凸多边形障碍区域的几何中心点为基准，将凸多边形障碍区域的每个顶点向外侧移位，得到多个移位点，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d。

位移时，具体就是将几何中心点到对应顶点的连线并继续向外延伸，延伸的距离就是安全距离d。

将多个移位点依序首尾连接成凸多边形，凸多边形所对应的凸多边形区域，即为得到的无人机的危险飞行区域。无人机在危险飞行区域以外进行飞行时，无人机的飞行是安全的，不会撞上障碍物；若无人机在危险飞行区域以内进行飞行时，无人机是有可能撞到障碍物，无人机的飞行是不安全的。

在得到无人机的危险飞行区域后，接下来将判断无人机沿预期航行线路飞行时是否会进入危险飞行区域。具体方式为：

边界交点判断模块，用于根据无人机当前位置的横纵坐标以及下一航点的横纵坐标，判断无人机在当前位置沿直线飞行到下一航点的预期航行路线是否与危险飞行区域的边界存在交点。

若预期航行路线与危险飞行区域无交点，则表示预期航行路线安全，无人机按照预期航行路线飞行。

若预期航行路线与危险飞行区域有一个，则表示无人机将擦点飞过危险飞行区域，但由于危险飞行区域是进行了膨胀处理后形成的区域，该预期航行路线还是安全的，无人机可以继续按照预期航行路线飞行。

若预期航行路线与危险飞行区域的边界中的一条边重合，则表示无人机将擦边飞过危险飞行区域，但由于危险飞行区域是进行了膨胀处理后形成的区域，该预期航行路线还是安全的，无人机可以继续按照预期航行路线飞行。

若预期航行路线与危险飞行区域存在两个交点，则无人机沿预期航行路线飞行时将穿过危险飞行区域，那么无人机就有撞上障碍物的可能，预期航行路线不安全，需要重新生成新的航行路线。

在生成新的航行路线时，由于需要从障碍物一侧绕飞，因而需要选择从障碍物的哪一侧进行绕飞，并根据选择的绕飞方向生成中间路径点。具体为：

新航线生成模块，用于在生成新的航行路线时，先判断危险飞行区域的几何中心与预期航行线路的位置关系。根据同一平面内点与线的位置，点可能位于线的一侧，点也可能位于线上。所以，几何中心与预期航行线路的位置关系为：1、几何中心位于预期航行线路的一侧（左侧或右侧）；2、几何中心位于预期航行线路上。

如图3所示，再根据位置关系，执行相应的处理。若危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路的一侧，则选择与几何中心不在同一侧的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的边界的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线。若预期航行线路穿过危险飞行区域的几何中心（即危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路上），则选择位于预期航行线路一侧且边界长度更短的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的边界的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线。

在将中间路径点依序插入预期航行路线中并形成新的航行路线时，是依次将当前位置、中间路径点、下一航点依次连接并圆滑处理，形成新的航行线路。其中，多个中间路径点之间可根据当前位置与下一航点的x坐标或y坐标进行大小对比，若下一航点的x坐标大于当前位置的x坐标，则对插入的中间路径点进行升序排列，并以此插入；否则，对插入的中间路径点进行降序排列，并以此插入。针对形成的新的航行路线，还可以进行圆滑处理，使航行线路变得更加平滑，无人机的飞行更加平稳。

在将中间路径点依序插入预期航行路线中形成新的航行路线后，还可以对中间路径点进行优化，具体方法为：

判断航点是否可以删除：选择航行路线中前三个航点（比如当前位置、第一个中间路径点、第二个中间路径点），先判断这三个航点中第一个航点与第三个航点的长度H是否大于固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离L；若长度H小于最短距离L，则第二个航点不能删除掉；若长度H大于或等于最短距离L，再进一步判断第一个航点与第三个航点的连线与凸多边形障碍区域、危险飞行区域是否均无交点；若有交点，则第二个航点不能删除掉；若无交点，则再进一步判断第一个航点与第三个航点连线后航线在第一个航点、第三个航点处的夹角是否大于无人机的最小转弯角度；若小于，则第二个航点不能删除掉；若大于或等于，则删除第二个航点，将第一个航点与第三个航点连起来并更新航行路线；

依次选择下一组三个航点（若第一个中间路径点删除了，则继续选择当前位置、第二个中间路径点、第三个重点路径点；若第一个中间路径点不删除，则继续选择第一个中间路径点、第二个中间路径点、第三个中间路径点），重复上述判断航点是否可以删除的步骤，筛选出可以删除的中间路径点并更新航行路线，得到新的航行线路。

在得到新的航行线路后，无人机是可以按照新的航行线路进行航行。但是，由于无人机转弯时有特定的最小转弯角度要求，若航行线路中存在某个/几个转弯角度小于无人机的最小转弯角度，那么无人机在沿航行线路进行航行时，极易影响无人机的飞行安全，或者致使无人机偏离航行线路。因此，有必要对新的航行线路中各路径点处的转弯角度与无人机的最小转弯角度进行比较。

本实施例增加了对新的航行线路各路径点的转弯角度是否大于无人机的最小转弯角度的判断；若新的航行线路存在某个/几个路径点的转弯角度不满足（即不大于）无人机的最小转弯角度，则需要对该路径点进行前后平移并更新航行路线。具体方式为：

最小转弯角判断模块，用于判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行。

实施例3

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。

其中，所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可以与用户通过键盘、鼠标、遥控器、触摸板或声控设备等方式进行人机交互。

所述存储器至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或D界面显示存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，所述存储器可以是所述计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，所述存储器也可以是所述计算机设备的外部存储设备，例如该计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。当然，所述存储器还可以既包括所述计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，所述存储器常用于存储安装于所述计算机设备的操作系统和各类应用软件，例如所述基于凸点平移的无人机动态避障方法的程序代码等。此外，所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。

所述处理器在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制所述计算机设备的总体操作。本实施例中，所述处理器用于运行所述存储器中存储的程序代码或者处理数据，例如运行所述基于凸点平移的无人机动态避障方法的程序代码。

实施例4

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，使得所述处理器执行基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。

其中，所述计算机可读存储介质存储有界面显示程序，所述界面显示程序可被至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如上述的基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献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(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器或者网络设备等)执行本申请实施例所述基于凸点平移的无人机动态避障方法。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于凸点平移的无人机动态避障方法，其特征在于，包括如下步骤：

对于已知障碍物的坐标边界点，去除凹点，得到去除凹点后的凸多边形障碍区域，将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域；其中，膨胀距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

根据无人机当前位置的横纵坐标以及下一航点的横纵坐标，判断无人机在当前位置沿直线飞行到下一航点的预期航行路线是否与危险飞行区域的边界存在交点；若无交点、有一个交点或者与危险飞行区域的边界中的一条边重合，则无人机按照预期航行路线飞行；若存在两个交点，则生成新的航行路线；

生成新的航行路线时，先判断危险飞行区域的几何中心与预期航行路线的位置关系，若危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路的一侧，则选择与几何中心不在同一侧的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线；若预期航行线路穿过危险飞行区域的几何中心，则选择位于预期航行线路一侧且边界长度更短的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线；

还包括：

判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行；

在将中间路径点依序插入预期航行路线中形成新的航行路线后，对中间路径点进行优化，具体方法为：

判断航点是否可以删除：选择航行路线中前三个航点，先判断这三个航点中第一个航点与第三个航点的长度H是否大于固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离L；若长度H小于最短距离L，则第二个航点不能删除掉；若长度H大于或等于最短距离L，再进一步判断第一个航点与第三个航点的连线与凸多边形障碍区域、危险飞行区域是否均无交点；若有交点，则第二个航点不能删除掉；若无交点，则再进一步判断第一个航点与第三个航点连线后航线在第一个航点、第三个航点处的夹角是否大于无人机的最小转弯角度；若小于，则第二个航点不能删除掉；若大于或等于，则删除第二个航点，将第一个航点与第三个航点连起来并更新航行路线；

重复上述判断航点是否可以删除的步骤，筛选出可以删除的航点并更新航行路线。

2.如权利要求1所述的一种基于凸点平移的无人机动态避障方法，其特征在于：将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域的具体方法为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，得到坐标点中的X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值，并根据X最大值、X最小值、Y最大值和Y最小值组成矩形区域；

计算矩形区域的几何中心点的坐标；

以矩形区域的几何中心点为准，将矩形区域的四个顶点向外侧移位，得到四个位移点，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

将四个位移点依序首尾连接成矩形，得到无人机的危险飞行区域。

3.如权利要求1所述的一种基于凸点平移的无人机动态避障方法，其特征在于：将凸多边形障碍区域向外膨胀，得到无人机的危险飞行区域的具体方法为：

根据凸多边形障碍区域的每个顶点的坐标点，计算凸多边形障碍区域的几何中心点的坐标；

以凸多边形障碍区域的几何中心点为准，将凸多边形障碍区域的每个顶点向外侧移位，得到多个移位点，移位的距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

将多个移位点依序首尾连接成凸多边形，得到无人机的危险飞行区域。

4.如权利要求1所述的一种基于凸点平移的无人机动态避障方法，其特征在于：在将中间路径点插入预期航行路线并形成新的航行路线时，是依次将当前位置、中间路径点、下一航点依次连接并圆滑处理，形成新的航行路线；

其中，中间路径点是沿绕行区域的边界从当前位置到下一航点的方向依次插入预期航行路线。

5.一种基于凸点平移的无人机动态避障系统，其特征在于，包括：

危险飞行区域模块，用于对于已知障碍物的坐标边界点，去除凹点，得到去除凹点后的凸多边形障碍区域，将凸多边形障碍区域向外进行膨胀，得到无人机的危险飞行区域；其中，膨胀距离为无人机与障碍区域保持的安全距离d；

边界交点判断模块，用于根据无人机当前位置的横纵坐标以及下一航点的横纵坐标，判断无人机在当前位置沿直线飞行到下一航点的预期航行路线是否与危险飞行区域的边界存在交点；若无交点、有一个交点或者与危险飞行区域的边界中的一条边重合，则无人机按照预期航行路线飞行；若存在两个交点，则生成新的航行路线；

新航线生成模块，用于在生成新的航行路线时，先判断危险飞行区域的几何中心与预期航行路线的位置关系，若危险飞行区域的几何中心位于预期航行线路的一侧，则选择与几何中心不在同一侧的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线；若预期航行线路穿过危险飞行区域的几何中心，则选择位于预期航行线路一侧且边界长度更短的危险飞行区域为绕行区域，并将绕行区域的顶点作为中间路径点依序插入预期航行路线中，形成新的航行路线；

还包括：

判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行；

在将中间路径点依序插入预期航行路线中形成新的航行路线后，对中间路径点进行优化，具体方法为：

判断航点是否可以删除：选择航行路线中前三个航点，先判断这三个航点中第一个航点与第三个航点的长度H是否大于固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离L；若长度H小于最短距离L，则第二个航点不能删除掉；若长度H大于或等于最短距离L，再进一步判断第一个航点与第三个航点的连线与凸多边形障碍区域、危险飞行区域是否均无交点；若有交点，则第二个航点不能删除掉；若无交点，则再进一步判断第一个航点与第三个航点连线后航线在第一个航点、第三个航点处的夹角是否大于无人机的最小转弯角度；若小于，则第二个航点不能删除掉；若大于或等于，则删除第二个航点，将第一个航点与第三个航点连起来并更新航行路线；

重复上述判断航点是否可以删除的步骤，筛选出可以删除的航点并更新航行路线。

6.如权利要求5所述的一种基于凸点平移的无人机动态避障系统，其特征在于，还包括：

最小转弯角判断模块，用于判断新的航行路线中各路径点的角度是否大于无人机的最小转弯角度，若大于，则无人机按照新的航行路线飞行；若不大于，则将该路径点沿预期航行路线方向前后平移，平移距离大于L/2，L为固定翼无人机在改变飞行姿态前必须直飞的最短距离，得到两个平移路径点，并将两个平移路径点依序插入当前航行线路中，形成更新后的航行路线，无人机按照更新后的航行路线飞行。

7.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至4中任一项所述的基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至4中任一项所述的基于凸点平移的无人机动态避障方法的步骤。