CN117130392A - 基于bim数据进行室内定位导航的无人机及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机及控制方法，其中，所述无人机包括：飞行通道构建单元根据多个基于BIM数据在建筑物室内天花板和侧墙壁上设置以标识其空间位置信息的视觉信标和数据处理单元获取的BIM数据构建无人机飞行通道；定位单元根据视觉信标、BIM数据及无人机传感数据确定无人机的空间位置信息；当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，飞行路径规划单元根据无人机的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行，如否则重新规划飞行路径后使飞行控制单元驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。通过本发明，能够在室内复杂的结构与障碍物情况下，对无人机进行准确的室内定位与导航。

Description

基于BIM数据进行室内定位导航的无人机及控制方法
技术领域
本发明涉及三维定位导航技术领域，尤其涉及一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机及控制方法。
背景技术
在无人机技术不断发展的今天，无人机在室内环境中的应用越来越广泛，如物流配送、火灾搜索救援、室内监控等。然而，由于室内环境复杂多变，无人机在室内飞行时容易受到障碍物的干扰，导致飞行安全性降低。因此，室内定位系统与避障技术的研究和应用显得尤为重要。
室内定位系统是指在室内环境中，通过测量无人机与周围环境的相对位置关系，实现无人机的自主定位和导航。常见的室内定位技术包括基于传感器的定位技术、基于信号强度的定位技术、基于视觉的定位技术等。其中，基于视觉的定位技术因其高精度、低成本、易于实现等优点，成为当前研究的热点。
避障技术是指在无人机飞行过程中，通过检测前方障碍物的位置和距离，实现无人机的自主避障，避免碰撞事故的发生。常见的避障技术包括基于激光雷达的避障技术、基于视觉的避障技术、基于超声波的避障技术等。其中，基于视觉的避障技术因其高精度、低成本、易于实现等优点，成为当前研究的热点。
进一步地，室内定位系统与避障技术的结合，还可以帮助无人机实现路径规划和优化，从而实现无人机在室内环境中的高效飞行。
但室内定位，由建筑结构、装修及内部放置的物体复杂性、信号稳定性等因素，采用常见的移动网络/WIFI/BLE/UWB/RFID、可视信标/光学/激光扫描/地磁等定位技术，难以满足实际应用对定位精度的要求。
无人机室内飞行，对于安全巡查、应急事件处置、消防火警确认、火场人员搜救、火势侦测等方面可以起到很大的作用，一方面可以提升快速响应速度，抢救生命财产损失，避免重大安全事件发生；另一方面可以极大地减轻人员负荷，提升人员效率，达到降本增效的作用。
对于无人机室内飞行来说，室内定位与避障问题是核心的关键技术问题，是必须要解决的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机及控制方法，实现无人机进行准确的室内定位与导航。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机，包括传感器单元；还包括：BIM数据处理单元，用于从存储BIM数据的数据库中获取目标建筑物室内的BIM数据，并对所述BIM数据进行分析以确定位于所述目标建筑物室内的障碍物信息；飞行通道构建单元，用于根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道；其中，多个所述第一视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的天花板上预先设置，多个所述第二视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的侧墙壁上预先设置；所述第一视觉信标、第二视觉信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置属性信息；飞行控制单元，用于预先获取所述无人机的航线任务，并结合多个所述第一视觉信标的空间位置属性信息，驱动所述无人机在所述目标建筑物室内、位于所述飞行通道构建单元构建的所述无人机飞行通道中飞行；定位单元，用于根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息；飞行路径规划单元，用于当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，根据所述定位单元确定的所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行；若是，则生成第一控制指令，使所述飞行控制单元响应所述第一控制指令驱动所述无人机继续在所述飞行通道中进行避障以及按照飞行路径飞行；若否，则在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，使所述飞行控制单元响应所述第二控制指令驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
其中，所述第一视觉信标包括节点信标和带指向性的节点信标；其中，所述节点信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息；所述带指向性的节点信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息以及向预定方向指向的节点信标信息；所述飞行通道构建单元，用于：根据每个第一视觉信标的空间位置信息确定对应的飞行路径节点；以及根据预先定义的边界规则和飞行路径节点构建所述无人机飞行通道；其中，所述无人机飞行通道包括飞行安全通道和可飞行通道；所述预先定义的边界规则为：D0>=2*L0，L0为无人机的最大外围尺寸，D0为所述飞行安全通道的圆形通道的直径L0；S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0，S0为无人机可飞行通道的宽度（或高度），S1和S2分别为所述可飞行通道的边界与所述飞行安全通道的边界距离。
其中，所述传感器单元，用于：在所述无人机在所述目标建筑物室内空间飞行时，识别所述第一视觉信标、第二信标；测量所述无人机与所述第一视觉信标之间的第一距离；测量所述无人机与所述第二视觉信标之间的第二距离；以及测量所述无人机与地磁方向的夹角信息；所述定位单元，用于：根据所述第一视觉信标的空间位置属性信息和所述第一距离，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息；根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息；以及根据所述第一空间位置信息、第二空间位置信息以及所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
其中，所述飞行路径规划单元，用于：根据所述BIM数据、多个所述第一视觉信标、多个所述第二视觉信标、障碍物信息重新规划构成飞行通道的多个节点；根据各个节点的位置及所述飞行路径，计算相邻节点的距离信息，以形成节点网络；根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径。
其中，所述飞行路径规划单元从所述节点开始遍历搜索，将每个节点的信息都保存下来，自动计算在完成现有任务的情况下的可飞行路径。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法，所述方法包括：从存储BIM数据的数据库中获取目标建筑物室内的BIM数据，并对所述BIM数据进行分析以确定位于所述目标建筑物室内的障碍物信息；根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道；其中，多个所述第一视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的天花板上预先设置，多个所述第二视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的侧墙壁上预先设置；所述第一视觉信标、第二视觉信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置属性信息；预先获取所述无人机的航线任务，并结合多个所述第一视觉信标的空间位置属性信息，驱动所述无人机在所述目标建筑物室内、位于所述飞行通道构建单元构建的所述无人机飞行通道中飞行；根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息；当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，根据所述定位单元确定的所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行；若是，则生成第一控制指令，驱动所述无人机继续在所述飞行通道中进行避障以及按照飞行路径飞行；若否，则在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
其中，所述第一视觉信标包括：节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息；带指向性的节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息以及向预定方向指向的节点信标信息；所述“根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道”，具体包括：根据每个第一视觉信标的空间位置信息确定对应的飞行路径节点；根据预先定义的边界规则和飞行路径节点构建所述无人机飞行通道；其中，所述无人机飞行通道包括飞行安全通道和可飞行通道；所述预先定义的边界规则为：D0>=2*L0，L0为无人机的最大外围尺寸，D0为所述飞行安全通道的圆形通道的直径L0；S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0，S0为无人机可飞行通道的宽度（或高度），S1和S2分别为所述可飞行通道的边界与所述飞行安全通道的边界距离。
其中，所述“根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息”，具体包括：通过传感器单元在所述无人机在所述目标建筑物室内空间飞行时，识别所述第一视觉信标、第二视觉信标；通过传感器单元测量所述无人机与所述第一视觉信标之间的第一距离；通过传感器单元测量所述无人机与所述第二视觉信标之间的第二距离；通过传感器单元测量所述无人机与地磁方向的夹角信息；根据所述第一视觉信标的空间位置属性信息和所述第一距离，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息；根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息；根据所述第一空间位置信息、第二空间位置信息以及所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
其中，所述“在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行”，具体包括：根据所述BIM数据、多个所述第一视觉信标、多个所述第二视觉信标、障碍物信息重新规划构成飞行通道的多个节点；根据各个节点的位置及所述飞行路径，计算相邻节点的距离信息，以形成节点网络；根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径；生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
其中，所述“根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径”，具体包括：从所述节点开始遍历搜索，将每个节点的信息都保存下来，自动计算在完成现有任务的情况下的可飞行路径。
本发明的有益效果在于：预先根据目标建筑物室内空间的BIM数据，在室内空间的天花板和侧墙壁上设置具有标识其空间位置信息的多个第一视觉信标、第二视觉信标；当无人机在目标建筑物室内空间飞行时，能够通过传感器识别到第一视觉信标、第二视觉信标，并根据所述第一视觉信标、第二视觉信标所标识的指引信息进行飞行，还根据所述第一视觉信标、第二视觉信标所标识的空间位置信息、以及测量得到的无人机相对所述第一视觉信标、第二视觉信标的空间位置信息，从而对无人机进行空间位置的识别与定位；进一步地，当无人机识别到当前飞行通道中存在障碍物时，且判断当前飞行通道不能继续飞行时通过对所述第一视觉信标、第二视觉信标形成的路径节点的调整从而完成新规划的飞行路径，并驱动无人机按照新的飞行路径进行飞行；基于视觉信标的识别、定位实现低成本、高精度的无人机室内定位与导航，同时结合BIM数据对室内复杂的且存在障碍物的空间情况进行识别判断，以驱动无人机进行避障飞行，实现帮助无人机实现路径规划和优化，从而实现无人机在室内环境中的高效飞行。
附图说明
图1为本发明实施方式中的一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机结构示意图；
图2为本发明实施方式中的节点信标示意图；
图3为本发明实施方式中带指向性的节点信标示意图；
图4为本发明实施方式中飞行通道构建条件的示意图；
图5为本发明实施方式中基于第一视觉信标构建飞行通道的示意图；
图6为本发明实施方式中在目标建筑物室内空间基于一个第一视觉信标进行无人机定位的示意图；
图7为本发明实施方式中在目标建筑物室内空间基于多个第一视觉信标进行无人机定位的示意图；
图8为本发明实施方式中在目标建筑物室内空间基于一个第二视觉信标进行无人机定位的示意图；
图9为基于图8进行无人机定位计算的第一示意图；
图10为基于图8进行无人机定位计算的第二示意图；
图11为基于图8进行无人机定位计算的第三示意图；
图12为基于图8进行无人机定位计算的第四示意图；
图13为本发明实施方式中在目标建筑物室内空间基于一个第一视觉信标进行无人机导航的示意图；
图14为本发明实施方式中在目标建筑物室内空间出现的障碍物与飞行通道关系的示意图；
图15为本发明实施方式中基于障碍物重新规划飞行路径的示意图；
图16为本发明实施方式中的一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法的流程示意图；
图17为图16所示的步骤S31的具体实现方法的流程示意图；
图18为图16所示的步骤S33的具体实现方法的流程示意图；
图19为图16所示的步骤S36的具体实现方法的流程示意图。
实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参阅图1，为本发明实施方式中的一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机的结构示意图。所述无人机20包括，BIM数据处理单元21、飞行通道构建单元22、飞行控制单元23、定位单元24、飞行路径规划单元25以及传感器26。
所述BIM数据处理单元21，用于从存储BIM数据的数据库中获取目标建筑物室内的BIM数据，并对所述BIM数据进行分析以确定位于所述目标建筑物室内的障碍物信息。
具体地，在获取目标建筑物的室内BIM数据时，所述BIM数据处理单元21可以通过一个高效的查询接口，根据用户提供的相关条件，从数据库中检索出对应的建筑物模型。这些模型可以包括建筑的空间布局、结构信息、设备安装、材料属性等详细信息，为后续的分析和识别提供了必要的基础。所述BIM数据处理单元21还能够识别其中的障碍物信息：通过分析建筑物模型中的空间数据和属性信息，可以识别出室内的障碍物，比如墙壁、柱子、门窗等，并提供相应的位置、形状和尺寸等相关信息。
所述飞行通道构建单元22，用于根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道。
其中，多个所述第一视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的天花板上预先设置，多个所述第二视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的侧墙壁上预先设置；所述第一视觉信标、第二视觉信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置属性信息。
在本实施方式中，所述第一视觉信标有两种形式：
（1）节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息；如图2所示，其二维码记录的信标信息为：
深圳市南山区花样年香年广场C栋13层1301室
13层起始点GPS坐标：113.994158,22.552588；
高度：61.1米
室内位置：大门处天花板
室内坐标：21.951米，15.343米，4.40米（相对13层初始点）
节点信标编号：A13005
（2）带指向性的节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息以及向预定方向指向的节点信标信息；如图3所示，其二维码记录的信标信息为：
深圳市南山区花样年香年广场C栋13层1301室
13层起始点GPS坐标：113.994158,22.552588；
高度：61.1米
室内位置：大门处天花板
室内坐标：21.951米，15.343米，4.40米（相对13层初始点）
节点信标编号：A13005
两个指向：
向右方向下一节点为A13006
向右上方向下一节点为A13021
具体地，所述飞行通道构建单元22，用于：
根据每个第一视觉信标的空间位置信息确定对应的飞行路径节点；以及
根据预先定义的边界规则和飞行路径节点构建所述无人机飞行通道。
在本实施方式中，根据障碍物信息将所述无人机飞行通道划分成安全通道和可飞行通道，其中，所述可飞行通道的空间涵盖了安全通道的空间。
所述预先定义的边界规则为：
D0>=2*L0，L0为无人机的最大外围尺寸，D0为所述飞行安全通道的圆形通道的直径L0；
S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0，S0为无人机可飞行通道的宽度（或高度），S1和S2分别为所述可飞行通道的边界与所述飞行安全通道的边界距离。
请同时参阅图4，无人机飞行安全通道被定义为：以无人机的最大外围尺寸L0的2-3倍长度D0为圆形通道的直径，即，D0>=2*L0；
无人机可飞行通道和飞行安全通道，为同一个中心点，可以为矩形通道，也可以为圆形通道；具体要根据附近障碍物的遮挡情况来确定具体的形状。
无人机可飞行通道的宽度（或高度）S0大于或等于无人机的最大外围尺寸L0的4倍以上，其中，可飞行通道的边界与飞行安全通道的边界距离S1和S2需大于等于无人机的最大外围尺寸L0，即，S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0。
因此，中间的圆形通道（O0 - O1）为飞行安全通道；外围的正方形通道（A0A1D1D0 -B0B1C1C0）为可飞行通道。
安装在所述目标建筑室内天花板上的第一视觉信标（包括节点信标与带指向性的节点信标），标识了其空间信息及其下方的无障碍可飞行空间信息；无人机顶部加装了摄像头及测距装置；室内飞行时，根据无人机正上空的第一视觉信标空间位置及高度来确定无人机的空间位置及安全路线（含最佳通道及可行通道）。
进一步地，如图5所示，在所述第一视觉信标的下方无障碍物的空间内划分飞行安全通道（圆形圈内）和可飞行通道（正方形内）。
具体尺寸要求：飞行安全通道的直径D0>=2 * L0(无人机最大外围尺寸）；可飞行通道的边长S0>=4 * L0。
同理，以第二视觉信标为参照物，在其附近确定连续的正方形边长大于4*L0的无障碍物通道，也可以设定为可飞行通道，以及在可飞行通道中间再划分为在接为2*L0的飞行安全通道。
所述飞行控制单元23，用于预先获取所述无人机的航线任务，并结合多个所述第一视觉信标的空间位置属性信息，驱动所述无人机在所述目标建筑物室内、位于所述飞行通道构建单元构建的所述无人机飞行通道中飞行。
具体地，所述飞行控制单元23获取无人机的航线任务，包括目标建筑物的地图、飞行路径规划以及其他相关信息；这些任务可能是由地面控制站发送或通过预先设定的飞行计划加载到飞行控制单元中。所述飞行控制单元23结合航线任务和第一视觉信标的信息计算无人机在飞行通道中的位置和飞行方向，根据无人机当前的位置和目标位置之间的差异，以及避免碰撞和遵守飞行规则的要求来调整无人机的飞行轨迹。所述飞行控制单元23通过向无人机发送指令和控制信号，来驱动无人机在飞行通道中飞行，这些指令和信号包括调整无人机的速度、姿态、高度等，以确保无人机按照设定的航线任务顺利飞行，并且在目标建筑物室内保持安全和稳定的状态。
所述定位单元24，用于基于多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
具体地，所述传感器单元26包括多种传感器，用于感知外界环境和获取飞行参数。例如，所述传感器单元26包括GPS、陀螺仪、加速度计、气压计、视觉传感器等，以提供位置定位、姿态控制、避障等功能。
请同时参阅图6，将如图2所示的二维码视觉信标安装在目标建筑物室内天花板上，置于所述目标建筑物室内空间的无人机20飞行至所述二维码视觉信标的正下方时，其传感器单元26识别所述二维码视觉信标以及测量得到无人机20与所述二维码视觉信标之间的距离LAB为2.6米，则根据二维码视觉信标的信标信息可以确定所述无人机在所述目标建筑物室内空间的相对坐标为：21.951米，15.343米，1.80米，从而通过一个二维码视觉信标对无人机进行一个坐标点的定位。其中，测量无人机20与所述二维码视觉信标之间的距离，可以是基于红外测量、激光测量、超声波测量、UWB测量、蓝牙测量、RFID测量得到，具体实现原理为现有技术，在此不加赘述。
如图7所示，在所述目标建筑物室内天花板及侧墙上设置多个二维码视觉信标，即，多个第一视觉信标和多个第二视觉信标，从而构成视觉信标定位体系，具体地，设置在天花板上的多个第一视觉信标，相邻两个第一视觉信标之间的间隔距离为5-15米。
所述无人机20根据航线任务和多个视觉信标的指引，在所述建筑物室内空间飞行时，所述传感器单元26通过对多个所述第一视觉信标的识别以测量所述无人机20当前与所述第一视觉信标之间的距离以得到所述无人机在所述目标建筑物室内空间的多个相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息。
安装在所述目标建筑物室内侧墙的第二视觉信标，标识了其在BIM空间中的位置与方位信息；当所述无人机20在所述目标建筑物室内空间飞行时，将机头方向与摄像头对准第二视觉信标时，无人机陀螺仪可获知其在BIM空间中的高度值、机头方向与地磁方向的夹角等信息；通过UWB、红外、超声波或激光等测距方法，可以获知无人机与所述第二视觉信标的距离；通过这些数值，所述定位单元24可以计算得到所述无人机20相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息；所述无人机20根据航线任务和多个视觉信标的指引，在所述建筑物室内空间飞行时，所述传感器单元26通过对多个所述第二视觉信标的识别以测量所述无人机20当前与所述第二视觉信标之间的距离以得到所述无人机在所述目标建筑物室内空间的多个相对的第二空间位置信息。进一步地，所述定位单元24根据多个第一空间位置信息、多个第二空间位置信息确定所述无人机20在所述目标建筑物室内空间的空间位置信息。
为适合夜间飞行，所述第一视觉信标、第二视觉信标可采用带荧光或反光的材料，无人机顶部加装探照灯。
所述定位单元24，用于：
根据所述第一视觉信标的空间位置属性信息和所述第一距离，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息；
根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息；以及
根据所述第一空间位置信息、第二空间位置信息以及所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
请同时参阅图8，对“所述定位单元2根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息”进行举例说明。
在目标建筑物室内空间的某面墙壁的偏上方确定一个基准点，粘贴上一张带有地址编号的二维图形，确定如图8所示的AB的距离，需要做以下操作：
（1）在无人机的吊舱摄像头处加装红外发射管及接收装置，或激光发射管及接收装置；
（2）红外测距或激光测距装置二维码向视觉信标的中心处发射红外线或激光，然后接收装置接收反射回来的信号；
（3）测距装置根据发射及接收的时间差，再乘以光速，就可以得出无人机与二维码视觉信标之间的距离。
请同时参阅图9，无人机的高度值BE可通过激光或红外测距可知，二维码中心点高度AD为已知，AC距离=AD-BE；∠ABC可从相机俯仰角（相机镜头与室内地面倾角）可知，则BC点的距离LBC=LAB * COS(∠ABC)。
请同时参阅图10，在水平面上，以经纬度为坐标轴，西方向为X轴方向，北方向为Y轴方向，D为A点在X轴的垂直点，E为B点在X轴的垂直点，C为B点在AD线段上的垂直点。
无人机悬停时，通过无人机的陀罗仪的地磁感应方向加上地磁角纠偏，可以计算得到∠ABC，则：
∠BAC=90°- ∠ABC；
XB = XA + LAB * COS(∠ABC)
YB = YA – LAB * SIN(∠ABC)
ZB = 无人机的高度值（与地面的测距）
例如，请同时参阅图11，建立一个视觉信标的二维码图形，其表示的含义为：
深圳市南山区花样年香年广场C栋13层1301室
GPS坐标：113.994158,22.553588
室内位置：大门侧墙
室内坐标：18.951，12.343，3.800
LAB=LAC / SIN(∠ABC) = 2 / SIN(10/180*3.14) = 11.4米
LBC=LAB * COS(∠ABC) = 11.4 * COS(10/180*3.14) = 11.23米
请同时参阅图12，在水平面上，
LAB = 11.23米
∠ABC = 15°
则：LBC= LAB * COS(∠ABC) = 11.23 * COS(15/180*3.14) = 10.85米
LAC = LAB * SIN(∠ABC) = 11.23 * SIN(15/180*3.14) = 2.90米
二维码视觉信标的室内空间位置为：
室内坐标：18.951，12.343，3.800
则无人机的室内空间位置为：（18.951 + 10.85）米，(12.343 – 2.90)米， 1.8米，即，（29.801米，9.443米，1.8米）
GPS坐标：113.994158，22.553588
经度减少10.85米，纬度减少2.9米
换算成GPS坐标为：
（113.994158-10.85*0.00001），(22.553588-2.9*0.00001)
即，113.9940495，22.553559
综上所述，所述无人机的空间位置信息为：
空间坐标：（29.801米，9.443米，1.8米）
GPS坐标：（113.9940495，22.553559）
所述飞行路径规划单元25，用于当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，根据所述定位单元24确定的所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行；若是，则生成第一控制指令，使所述飞行控制单元23响应所述第一控制指令驱动所述无人机继续在所述飞行通道中进行避障以及按照飞行路径飞行；若否，则在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，使所述飞行控制单元23响应所述第二控制指令驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
无人机配备避障装置，包括激光、超声波等方式，激光扫描可检测0.05米——200米之内的障碍物，但对透明物体（如玻璃、亚克力等）的检测效果差，容易发生误判情况，所以一般要增加超声波等其他方式辅助检测。超声波的有效检测范围一般为0-20米，对透明物体也有较好的检测效果，但是检测的角度会有一定的限制，同时无人机快速飞行时，如果障碍物的距离太近，就会发生无人机碰撞的风险，因此一般作为避障检测的辅助手段。
请同时参阅图13~15，无人机具备前、后、左、右、上和下方避障功能，飞行时优先进行避障处理。如原来标识为安全路线的最佳通道，但发现临时有遮挡物，则先判断原路线的可行通道是否可通行到下一节点，如不可通行，则系统基于视觉信标这种空间导航节点，在保证任务完成基础上，重新规划无人机的飞行路径。
具体地，所述飞行路径规划单元25用于：
根据所述BIM数据、多个所述第一视觉信标、多个所述第二视觉信标确定构成飞行通道的多个节点；
根据各个节点的位置及所述飞行路径，计算相邻节点的距离信息，以形成节点网络；以及
根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径。
其中，构成所述节点网络的节点，各个节点的平面坐标值可构建形成矩阵，矩阵中可通行的路径节点位置用“1”表示，不可通行的路径节点用“0”表示。下面利用A0、A1、A2、B0、C0这几个路径节点进行举例说明，具体的矩阵如下：
其中，A0是起点和终点，A2是必须经过的节点，可通行路径为1。
在本实施方式中，所述无人机20在初次进行路径规划时，一般可采用路径规划算法中的A算法实现。A算法是将Dijkstra算法与广度优先搜索算法（BFS）二者结合而成，通过借助启发式函数的作用，能够使该算法能够更快的找到最优路径，A算法是静态路网中求解最短路径最有效的直接搜索方法。在此不加赘述。
如图15所示，无人机在节点A0、A2、B2、C1、C3、D0处有巡检任务；正常飞行是通过A0-A1-A4-B2-B3-C3-D1-D0-C2-C1-C0-B0-A1-A0节点。
现A1-A2及C2-D0节点之间有障碍物堵塞，则初始规划的路径就不可行了。这时可采用D算法。A算法适用于在静态路网中寻路，在环境变化后，往往需要replan，由于A不能有效利用上次计算的信息，故计算效率较低。D算法由于储存了空间中每个点到终点的最短路径信息，故在重规划时效率大大提升。A是正向搜索，而D特点是反向搜索，即从目标点开始搜索过程。在初次遍历时候，与Dijkstra算法一致，它将每个节点的信息都保存下来；这时，系统自动计算在完成现有任务的情况下的可飞行路径为：
A0-A1-B0-B1-B2-A4-A3-A2-A3-A4-B2-B3-C3-D1-D0-D1-C3-C2-C1-C0-B0-A1-A0。
请参阅图16，为本发明实施方式中的一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法的流程示意图。所述方法包括如下步骤：
步骤S30，从存储BIM数据的数据库中获取目标建筑物室内的BIM数据，并对所述BIM数据进行分析以确定位于所述目标建筑物室内的障碍物信息。
步骤S31，根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道。
其中，多个所述第一视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的天花板上预先设置，多个所述第二视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的侧墙壁上预先设置；所述第一视觉信标、第二视觉信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置属性信息。
所述第一视觉信标包括：
节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息；
带指向性的节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息以及向预定方向指向的节点信标信息。
请同时参阅图17，根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道，具体通过如下步骤实现：
步骤S311，根据每个第一视觉信标的空间位置信息确定对应的飞行路径节点；以及
步骤S312，根据预先定义的边界规则和飞行路径节点构建所述无人机飞行通道。
其中，所述无人机飞行通道包括飞行安全通道和可飞行通道；所述预先定义的边界规则为：
D0>=2*L0，L0为无人机的最大外围尺寸，D0为所述飞行安全通道的圆形通道的直径L0；
S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0，S0为无人机可飞行通道的宽度（或高度），S1和S2分别为所述可飞行通道的边界与所述飞行安全通道的边界距离。
无人机飞行安全通道被定义为：以无人机的最大外围尺寸L0的2-3倍长度D0为圆形通道的直径，即，D0>=2*L0；
无人机可飞行通道和飞行安全通道，为同一个中心点，可以为矩形通道，也可以为圆形通道；具体要根据附近障碍物的遮挡情况来确定具体的形状。
无人机可飞行通道的宽度（或高度）S0大于或等于无人机的最大外围尺寸L0的4倍以上，其中，可飞行通道的边界与飞行安全通道的边界距离S1和S2需大于等于无人机的最大外围尺寸L0，即，S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0。
因此，中间的圆形通道（O0 - O1）为飞行安全通道；外围的正方形通道（A0A1D1D0 -B0B1C1C0）为可飞行通道。
安装在所述目标建筑室内天花板上的第一视觉信标（包括节点信标与带指向性的节点信标），标识了其空间信息及其下方的无障碍可飞行空间信息；无人机顶部加装了摄像头及测距装置；室内飞行时，根据无人机正上空的第一视觉信标空间位置及高度来确定无人机的空间位置及安全路线（含最佳通道及可行通道）。
在所述第一视觉信标的下方无障碍物的空间内划分飞行安全通道（圆形圈内）和可飞行通道（正方形内）。
具体尺寸要求：飞行安全通道的直径D0>=2 * L0(无人机最大外围尺寸）；可飞行通道的边长S0>=4 * L0。
同理，以第二视觉信标为参照物，在其附近确定连续的正方形边长大于4*L0的无障碍物通道，也可以设定为可飞行通道，以及在可飞行通道中间再划分为在接为2*L0的飞行安全通道。
步骤S32，预先获取所述无人机的航线任务，并结合多个所述第一视觉信标的空间位置属性信息，驱动所述无人机在所述目标建筑物室内、位于所述飞行通道构建单元构建的所述无人机飞行通道中飞行。
步骤S33，根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
请同时参阅图18，根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，具体包括如下步骤：
步骤S331，通过传感器单元在所述无人机在所述目标建筑物室内空间飞行时，识别所述第一视觉信标、第二视觉信标。
具体地，所述传感器单元26包括多种传感器，用于感知外界环境和获取飞行参数。例如，所述传感器单元26包括GPS、陀螺仪、加速度计、气压计、视觉传感器等，以提供位置定位、姿态控制、避障等功能。
步骤S332，通过传感器单元测量所述无人机与所述第一视觉信标之间的第一距离。
步骤S333，通过传感器单元测量所述无人机与所述第二视觉信标之间的第二距离；以及
步骤S334，通过传感器单元测量所述无人机与地磁方向的夹角信息。
安装在所述目标建筑物室内侧墙的第二视觉信标，标识了其在BIM空间中的位置与方位信息；当所述无人机20在所述目标建筑物室内空间飞行时，将机头方向与摄像头对准第二视觉信标时，无人机陀螺仪可获知其在BIM空间中的高度值、机头方向与地磁方向的夹角等信息；通过UWB、红外、超声波或激光等测距方法，可以获知无人机与所述第二视觉信标的距离。
步骤S335，根据所述第一视觉信标的空间位置属性信息和所述第一距离，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息。
步骤S336，根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息。
在目标建筑物室内空间的某面墙壁的偏上方确定一个基准点，粘贴上一张带有地址编号的二维图形，确定如图8所示的AB的距离，需要做以下操作：
（1）在无人机的吊舱摄像头处加装红外发射管及接收装置，或激光发射管及接收装置；
（2）红外测距或激光测距装置二维码向视觉信标的中心处发射红外线或激光，然后接收装置接收反射回来的信号；
（3）测距装置根据发射及接收的时间差，再乘以光速，就可以得出无人机与二维码视觉信标之间的距离。
步骤S337，根据所述第一空间位置信息、第二空间位置信息以及所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
步骤S34，当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，根据所述定位单元确定的所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行；若是，则进入步骤S35；
步骤S35，生成第一控制指令，驱动所述无人机继续在所述飞行通道中进行避障以及按照飞行路径飞行。然后，流程结束。
步骤S36，在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。然后，流程结束。
请同时参阅图19，在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行，具体包括如下步骤：
步骤S361，根据所述BIM数据、多个所述第一视觉信标、多个所述第二视觉信标、障碍物信息重新规划构成飞行通道的多个节点；
步骤S362，根据各个节点的位置及所述飞行路径，计算相邻节点的距离信息，以形成节点网络；
步骤S362，根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径；
具体地，从所述节点开始遍历搜索，记录能完成所有节点任务的可飞行路径；在遍历节点后生成的可飞行路径中，选择在完成现有任务的情况下的最短可飞行路径，作为修改后的飞行路径。
步骤S364，生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
综上所述，本发明提供的一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机及控制方法，预先根据目标建筑物室内空间的BIM数据，在室内空间的天花板和侧墙壁上设置具有标识其空间位置信息的多个第一视觉信标、第二视觉信标；当无人机在目标建筑物室内空间飞行时，能够通过传感器识别到第一视觉信标、第二视觉信标，并根据所述第一视觉信标、第二视觉信标所标识的指引信息进行飞行，还根据所述第一视觉信标、第二视觉信标所标识的空间位置信息、以及测量得到的无人机相对所述第一视觉信标、第二视觉信标的空间位置信息，从而对无人机进行空间位置的识别与定位；进一步地，当无人机识别到当前飞行通道中存在障碍物时，且判断当前飞行通道不能继续飞行时通过对所述第一视觉信标、第二视觉信标形成的路径节点的调整从而完成新规划的飞行路径，并驱动无人机按照新的飞行路径进行飞行；基于视觉信标的识别、定位实现低成本、高精度的无人机室内定位与导航，同时结合BIM数据对室内复杂的且存在障碍物的空间情况进行识别判断，以驱动无人机进行避障飞行，实现帮助无人机实现路径规划和优化，从而实现无人机在室内环境中的高效飞行。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机，包括传感器单元；其特征在于，还包括：
BIM数据处理单元，用于从存储BIM数据的数据库中获取目标建筑物室内的BIM数据，并对所述BIM数据进行分析以确定位于所述目标建筑物室内的障碍物信息；
飞行通道构建单元，用于根据多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道；其中，多个所述第一视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的天花板上预先设置，多个所述第二视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的侧墙壁上预先设置；所述第一视觉信标、第二视觉信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置属性信息；
飞行控制单元，用于预先获取所述无人机的航线任务，并结合多个所述第一视觉信标的空间位置属性信息，驱动所述无人机在所述目标建筑物室内、位于所述飞行通道构建单元构建的所述无人机飞行通道中飞行；
定位单元，用于根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息；
飞行路径规划单元，用于当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，根据所述定位单元确定的所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行；若是，则生成第一控制指令，使所述飞行控制单元响应所述第一控制指令驱动所述无人机继续在所述飞行通道中进行避障以及按照飞行路径飞行；若否，则在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，使所述飞行控制单元响应所述第二控制指令驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
2.根据权利要求1所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机，其特征在于，所述第一视觉信标包括节点信标和带指向性的节点信标；其中，所述节点信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息；所述带指向性的节点信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息以及向预定方向指向的节点信标信息；
所述飞行通道构建单元，用于：
根据每个第一视觉信标的空间位置信息确定对应的飞行路径节点；以及
根据预先定义的边界规则和飞行路径节点构建所述无人机飞行通道；
其中，所述无人机飞行通道包括飞行安全通道和可飞行通道；所述预先定义的边界规则为：
D0>=2*L0，L0为无人机的最大外围尺寸，D0为所述飞行安全通道的圆形通道的直径L0；
S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0，S0为无人机可飞行通道的宽度或高度，S1和S2分别为所述可飞行通道的边界与所述飞行安全通道的边界距离。
3.根据权利要求2所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机，其特征在于，所述传感器单元，用于：
在所述无人机在所述目标建筑物室内空间飞行时，识别所述第一视觉信标、第二信标；
测量所述无人机与所述第一视觉信标之间的第一距离；
测量所述无人机与所述第二视觉信标之间的第二距离；以及
测量所述无人机与地磁方向的夹角信息；
所述定位单元，用于：
根据所述第一视觉信标的空间位置属性信息和所述第一距离，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息；
根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息；以及
根据所述第一空间位置信息、第二空间位置信息以及所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
4.根据权利要求3所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机，其特征在于，所述飞行路径规划单元，用于：
根据所述BIM数据、多个所述第一视觉信标、多个所述第二视觉信标、障碍物信息重新规划构成飞行通道的多个节点；
根据各个节点的位置及所述飞行路径，计算相邻节点的距离信息，以形成节点网络；
根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径。
5.根据权利要求4所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机，其特征在于，所述飞行路径规划单元从所述节点开始遍历搜索，将每个节点的信息都保存下来，自动计算在完成现有任务的情况下的可飞行路径。
6.一种基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法，其特征在于，所述方法包括：
从存储BIM数据的数据库中获取目标建筑物室内的BIM数据，并对所述BIM数据进行分析以确定位于所述目标建筑物室内的障碍物信息；
根据多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道；其中，多个所述第一视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的天花板上预先设置，多个所述第二视觉信标是基于所述BIM数据在所述目标建筑物室内的侧墙壁上预先设置；所述第一视觉信标、第二视觉信标用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置属性信息；
预先获取所述无人机的航线任务，并结合多个所述第一视觉信标的空间位置属性信息，驱动所述无人机在所述目标建筑物室内、位于所述飞行通道构建单元构建的所述无人机飞行通道中飞行；
根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息；
当无人机在飞行过程中检测到飞行通道中存在障碍物时，根据确定的所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，判断当前飞行通道是否可以继续飞行；若是，则生成第一控制指令，驱动所述无人机继续在所述飞行通道中进行避障以及按照飞行路径飞行；若否，则在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
7.根据权利要求6所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法，其特征在于，所述第一视觉信标包括：
节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息；
带指向性的节点信标，用于标识其在所述目标建筑物室内的空间位置信息以及向预定方向指向的节点信标信息；
根据所述多个第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据在所述目标建筑物室内构建无人机飞行通道，具体包括：
根据每个第一视觉信标的空间位置信息确定对应的飞行路径节点；
根据预先定义的边界规则和飞行路径节点构建所述无人机飞行通道；其中，所述无人机飞行通道包括飞行安全通道和可飞行通道；所述预先定义的边界规则为：
D0>=2*L0，L0为无人机的最大外围尺寸，D0为所述飞行安全通道的圆形通道的直径L0；
S0>=4*L0，S1=S2，S1>=L0，S0为无人机可飞行通道的宽度或高度，S1和S2分别为所述可飞行通道的边界与所述飞行安全通道的边界距离。
8.根据权利要求7所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法，其特征在于，根据多个所述第一视觉信标、多个第二视觉信标、所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息，具体包括：
通过传感器单元在所述无人机在所述目标建筑物室内空间飞行时，识别所述第一视觉信标、第二视觉信标；
通过传感器单元测量所述无人机与所述第一视觉信标之间的第一距离；
通过传感器单元测量所述无人机与所述第二视觉信标之间的第二距离；
通过传感器单元测量所述无人机与地磁方向的夹角信息；
根据所述第一视觉信标的空间位置属性信息和所述第一距离，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第一视觉信标的第一空间位置信息；
根据所述第二视觉信标的空间位置属性信息、所述第二距离以及所述夹角信息，计算所述无人机在所述目标建筑物室内空间相对所述第二视觉信标的第二空间位置信息；
根据所述第一空间位置信息、第二空间位置信息以及所述BIM数据确定所述无人机在所述目标建筑物室内的空间位置信息。
9.根据权利要求8所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法，其特征在于，在当前飞行通道中重新规划飞行路径，然后生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行，具体包括：
根据所述BIM数据、多个所述第一视觉信标、多个所述第二视觉信标、障碍物信息重新规划构成飞行通道的多个节点；
根据各个节点的位置及所述飞行路径，计算相邻节点的距离信息，以形成节点网络；
根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径；
生成第二控制指令，驱动无人机按照新规划的飞行路径进行飞行。
10.根据权利要求9所述的基于BIM数据进行室内定位导航的无人机控制方法，其特征在于，根据所述节点网络以及所述无人机飞行通道重新规划飞行路径，具体包括：
从所述节点开始遍历搜索，将每个节点的信息都保存下来，自动计算在完成现有任务的情况下的可飞行路径。
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CN117906617A (zh) * 2024-03-19 2024-04-19 深圳森磊弘泰消防科技有限公司 一种基于bim数据的室内融合定位的移动设备及定位方法
CN117906617B (zh) * 2024-03-19 2024-05-24 深圳森磊弘泰消防科技有限公司 一种基于bim数据的室内融合定位的移动设备及定位方法

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