CN117193381B - 无人机的控制方法、装置及计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机的控制方法、装置及计算机存储介质，先获取无人机的当前飞行信息，再获取禁飞区的位置信息和形状信息（包括边界形状），之后根据位置信息和边界形状确定禁飞区外侧的至少两个限制区，并根据当前飞行速度以及当前飞行速度和当前飞行位置各自分别与禁飞区和至少两个限制区之间的关系确定无人机的机动性能限制参数，最终根据机动性能限制参数控制无人机的飞行。采用本发明可以在无人机飞行过程中提前识别禁飞区并进行相应飞行控制，从而避免无人机飞行对禁飞区造成的潜在威胁，利于促进无人机的合理应用。

Description

无人机的控制方法、装置及计算机存储介质

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其是涉及一种无人机的控制方法、装置及计算机存储介质。

背景技术

无人机是指利用无线遥控设备和自身的控制装置操纵的不载人飞行器，无人机在工作中通常可根据预先规划的航线进行飞行，而预设航线有时会经过禁飞区，如果无人机在飞行时无法提前识别禁飞区而进行避让，则可能会导致无人机工作效率降低、无人机飞行安全性降低等问题。

然而，现有技术中在无人机面临禁飞区时的操作方式主要包括：

（1）根据无人机是否处于禁飞区确定无人机是否可以飞行。但该方式只能实现无人机起飞前的飞行时机控制，无法实现无人机起飞后的飞行过程控制。

（2）在已规划航线经过禁飞区时重新规划无人机飞行路线。但该方式只能实现无人机飞行位置的控制于，无法实现无人机机动性能（如飞行速度、飞行姿态）的实时控制。

（3）根据无人机与禁飞区之间的距离判断威胁程度并进行告警。但该方式仅涉及威胁程度判断和告警，并不直接影响无人机的飞行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机的控制方法、装置及计算机存储介质，以缓解相关技术中存在的上述问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种无人机的控制方法，所述方法包括：获取无人机的当前飞行信息；其中，所述当前飞行信息包括当前飞行位置和当前飞行速度；获取禁飞区的位置信息和形状信息；其中，所述形状信息包括边界形状；根据所述位置信息和所述边界形状，确定所述禁飞区外侧的至少两个限制区；其中，每个限制区均由所述禁飞区的边界向外扩张而成；根据所述当前飞行速度以及所述当前飞行速度和所述当前飞行位置各自分别与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的关系，确定确定所述无人机的机动性能限制参数；其中，所述机动性能限制参数包括飞行速度限制参数和/或飞行姿态限制参数；根据所述机动性能限制参数，控制所述无人机的飞行。

第二方面，本发明实施例还提供一种无人机的控制装置，所述装置包括：第一获取模块，用于获取无人机的当前飞行信息；其中，所述当前飞行信息包括当前飞行位置和当前飞行速度；第二获取模块，用于获取禁飞区的位置信息和形状信息；其中，所述形状信息包括边界形状；第一确定模块，用于根据所述位置信息和所述边界形状，确定所述禁飞区外侧的至少两个限制区；其中，每个限制区均由所述禁飞区的边界向外扩张而成；第二确定模块，用于根据所述当前飞行速度以及所述当前飞行速度和所述当前飞行位置各自分别与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的关系，确定所述无人机的机动性能限制参数；其中，所述机动性能限制参数包括飞行速度限制参数和/或飞行姿态限制参数；控制模块，用于根据所述机动性能限制参数，控制所述无人机的飞行。

第三方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，用于存储为上述第一方面所述方法所用的计算机软件指令。

本发明实施例提供的一种无人机的控制方法、装置及计算机存储介质，先获取无人机的当前飞行信息，再获取禁飞区的位置信息和形状信息（包括边界形状），之后根据位置信息和边界形状确定禁飞区外侧的至少两个限制区，并根据当前飞行速度以及当前飞行速度和当前飞行位置各自分别与禁飞区和至少两个限制区之间的关系确定无人机的机动性能限制参数，最终根据机动性能限制参数控制无人机的飞行。采用上述技术，可以在无人机飞行过程中提前识别禁飞区并进行相应飞行控制，从而避免无人机飞行对禁飞区造成的潜在威胁，利于促进无人机的合理应用。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种无人机的控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中禁飞区、停止区和缓冲区的分布示意图；

图3为本发明实施例中多边形收缩前、后的整体对比示例图；

图4为本发明实施例中多边形收缩前、后的局部对比示例图；

图5为本发明实施例中任意点相对于多边形的位置的示例图；

图6为本发明实施例中机动性能限制策略确定过程的流程示例图；

图7为本发明实施例中位置模式和姿态模式下生成姿态指令的示例图；

图8为本发明实施例中姿态模式下生成姿态指令的流程示例图；

图9为本发明实施例中一种无人机的控制装置的结构示意图。

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，下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

目前，如果无人机在飞行时无法提前识别禁飞区而进行避让，则可能会导致无人机工作效率降低、无人机飞行安全性降低等问题。基于此，本发明实施提供的一种无人机的控制方法、装置及计算机存储介质，可以缓解相关技术中存在的问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种无人机的控制方法进行详细介绍，参见图1所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S102，获取无人机的当前飞行信息。

其中，上述当前飞行信息可以包括当前飞行位置和当前飞行速度。

步骤S104，获取禁飞区的位置信息和形状信息。

其中，上述位置信息可以表征禁飞区所处的位置；上述形状信息可以表征禁飞区的形状，具体可以包括禁飞区的边界形状。

步骤S106，根据位置信息和边界形状，确定禁飞区外侧的至少两个限制区。

其中，每个限制区均由禁飞区的边界向外扩张而成，具体扩张方式可根据实际需求自定义，对此并不进行限定。

步骤S108，根据当前飞行速度以及当前飞行速度和当前飞行位置各自分别与禁飞区和至少两个限制区之间的关系，确定无人机的机动性能限制参数。

其中，上述机动性能限制参数可以包括飞行速度限制参数、飞行姿态限制参数等，对此不进行限定。上述速度限制参数可以指限制无人机的飞行速度所使用的相关参数，上述姿态限制参数可以指限制无人机的飞行姿态所使用的相关参数。

步骤S110，根据机动性能限制参数，控制无人机的飞行。

在确定无人机的机动性能限制参数后，可利用该机动性能限制参数控制无人机的飞行速度和/或飞行姿态，从而实现对无人机的飞行控制。

本发明实施例提供的一种无人机的控制方法，先获取无人机的当前飞行信息，再获取禁飞区的位置信息和形状信息（包括边界形状），之后根据位置信息和边界形状确定禁飞区外侧的至少两个限制区，并根据当前飞行速度以及当前飞行速度和当前飞行位置各自分别与禁飞区和至少两个限制区之间的关系确定无人机的机动性能限制参数，最终根据机动性能限制参数控制无人机的飞行。采用上述技术，可以在无人机飞行过程中提前识别禁飞区并进行相应飞行控制，从而避免无人机飞行对禁飞区造成的潜在威胁，利于促进无人机的合理应用。

作为一种可能的实施方式，上述至少两个限制区包括由内向外依次设置的停止区和缓冲区；基于此，上述步骤S106（即根据位置信息和边界形状，确定禁飞区外侧的至少两个限制区）可以包括：根据位置信息和边界形状，依次向外扩张禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界；将禁飞区的边界与第一边界所围成的区域确定为停止区；将第一边界与第二边界所围成的区域确定为缓冲区。

例如图2所示，禁飞区20的边界形状为正方形，禁飞区20的边界201依次向外扩张后得到第一边界211和第二边界221，第二边界221相比于第一边界211距离禁飞区20的边界201更远，禁飞区20的边界201与第一边界211所围成的封闭区域即为停止区21，第一边界211与第二边界221所围成的封闭区域即为缓冲区22，禁飞区20、停止区21和缓冲区22各自的形心位置相同。

作为一个示例，上述禁飞区的边界形状可以为多边形，上述形状信息可以包括多边形的各内角大小，上述位置信息可以包括多边形的各顶点位置；基于此，上述根据位置信息和形状信息，依次向外扩张禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界可以包括：

步骤A1，确定禁飞区的第一扩张参数和第二扩张参数。

其中，上述第二扩张参数的值大于上述第一扩张参数的值。

步骤A2，根据第一扩张参数以及多边形的各内角大小和各顶点位置，确定每个顶点位置各自对应的第一扩张位置，并基于全部第一扩张位置生成第一边界。

步骤A3，根据第二扩张参数以及多边形的各内角大小和各顶点位置，确定每个顶点位置各自对应的第二扩张位置，并基于全部第二扩张位置生成第二边界。

在实际应用过程中，上述步骤A1至步骤A3可通过预先编写的多边形边界扩张算法进行。在此以某一多边形为例对多边形边界扩张算法的计算过程进行示例性描述如下。

如图3所示，对于一个多边形（图3中用黑色实现来表示），将该多边形的全部顶点（即点M1至点M13）组成一个集合（即多边形顶点集合），并将该集合中的元素以多边形顶点数组M的形式进行保存，在设置好固定的收缩/扩张的距离值l后即可按照l计算出收缩/扩张后的数组L（由点L1至点L13组成），通常情况下，以l>0为向外扩张，以l<0为向内收缩。此时，多边形顶点集合满足以下假设：多边形顶点数组能够构成一个封闭的且不交叉的多边形，对于多边形的每一个顶点都有两个顶点与其相邻。

以图3中多边形的顶点M12为例，参见图4所示，与点M12相邻的两个顶点分别是点M11和点M13，点M12的收缩后结果应该是点L12，点L12到线段M12M11的距离大小和点L12到线段M12M13的距离大小都是上述距离值l。此时，如果延长线段L11L12与M12M13相交得到交点P1，并延长L12L13与M11M12相交得到交点P2，那么很容易得到线段M12P2的长度与线段M12P1的长度相等，且向量M12L12为向量M12P1与向量M12P2二者之和。通过求得向量M12P2和向量M12P1，进而求得向量M12L12并进行归一化，可以得到向量M12L12的方向；通过求得向量M12P2与向量M12P1之间的角度（即∠M11M12M13），可以求得向量M12L12的模（也即线段M12L12的长度）；由此可用点M12的位置以求得点L12的位置。

在计算多边形顶点数组M所对应收缩后的数组L的过程中，由于需要遍历包括M12点在内的多边形顶点数组M中的全部元素，因此，为了便于描述，可将多边形的任意一个顶点记作点Mn（其中n为顶点的序号，n=1, 2, …, 13），可将点Mn所对应的收缩后得到的点记作Ln点，以向量M12P2为代表的与其含义类似的向量被统一记作v1，以向量M12P1为代表的与其含义类似的向量被统一记作v2，以向量M12L12为代表的与其含义类似的向量被统一记作v，以∠M11M12M13为代表的与其含义类似的角度被统一记作θ。此时，对于任意一个点Mn均需要求向量v1、向量v3、向量v和角度θ。此外，需要注意的是，由于多边形顶点的顺序以及多边形顶点的凹凸性会影响计算结果，因而需要在运算中加入用于补偿二者所产生影响的参数。

接续前例，多边形顶点数组M所对应收缩后的数组L的计算过程可以包括：

步骤一，判断多边形顶点集合的顺序是顺时针还是逆时针。

步骤二，判断多边形中的每个角是凹角还是凸角。

步骤三，从多边形顶点数组M的第一个点开始运算，进入步骤四。

上述步骤三中，当前点运算结束后便进行下一个点的运算，如果没有未算过的点，结束流程。

步骤四，求得v1和v2并分别进行归一化，根据v1和v2求得v并进行归一化，得到v’。

步骤五，求得θ，并根据v、θ和距离值l计算|v|。

步骤六，按照公式Ln = Mn + v求得Ln，并将Ln保留在数组L中，返回步骤三。

上述步骤一和上述步骤二均可通过计算机图形学的现有算法进行，在此不再赘述。

对于禁飞区的边界形状为多边形的情况，在按照上述步骤S106的操作方式确定停止区和缓冲区后，上述第一关系的确定可按照确定任意点相对于多边形的位置的操作方式进行。如图5所示，该操作方式的基本原理主要包括：当一个点（即图5中的浅灰色叉号）位于多边形内部时，以该点为端点的任意一个方向的射线与多边形（不包含多边形顶点）必然产生奇数个交点；相反，当一个点（即图5中的深灰色叉号）位于多边形外部时，以该点为端点的任意一个方向的射线与多边形（不包含多边形顶点）必然产生偶数（包含0）个交点。

相应地，对于禁飞区、停止区和缓冲区的边界形状均为多边形的情况，在确定当前飞行位置与禁飞区、停止区和缓冲区之间的第一关系时，可根据以当前飞行位置为端点的任意方向的射线分别与目标区（即禁飞区、停止区和缓冲区中之一）的边界（不包含多边形顶点）的交点个数是奇数还是偶数来判断当前飞行位置是位于目标区内还是位于目标区外。

作为另一个示例，上述禁飞区的边界形状可以为圆形，上述形状信息可以包括圆形的半径大小，上述位置信息可以包括圆形的圆心位置；基于此，上述根据位置信息和形状信息，依次向外扩张禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界可以包括：

步骤B1，确定禁飞区的第一扩张半径大小和第二扩张半径大小。

其中，上述第二扩张半径大小大于上述第一扩张半径大小。

步骤B2，以第一扩张半径大小作为半径大小，为禁飞区生成第一同心圆作为第一边界。

步骤B3，以第二扩张半径大小作为半径大小，为禁飞区生成第二同心圆作为第二边界。

对于禁飞区的边界形状为圆形的情况，在按照上述步骤S106的操作方式确定停止区和缓冲区后，上述第一关系的确定可按照确定任意点相对于圆形圆心的位置的操作方式进行。该操作方式的基本原理主要包括：当一个点位于圆形内部或圆形上时，该点与圆形圆心之间的距离大小小于或等于圆形半径大小；相反，当一个点位于多边形外部时，该点与圆形圆心之间的距离大小大于圆形半径大小。

相应地，对于禁飞区、停止区和缓冲区的边界形状均为圆形的情况，在确定当前飞行位置与禁飞区、停止区和缓冲区之间的第一关系时，可根据当前飞行位置与目标区圆心位置之间的距离大小与目标区（即禁飞区、停止区和缓冲区之一）半径大小之间关系来判断当前飞行位置是位于目标区内还是位于目标区外。

作为一种可能的实施方式，上述步骤S108（即根据当前飞行速度以及当前飞行速度和当前飞行位置各自分别与禁飞区和至少两个限制区之间的关系，确定无人机的机动性能限制参数）可以包括：

步骤1，根据当前飞行位置与禁飞区和至少两个限制区之间的第一关系以及当前飞行速度的方向与禁飞区之间的第二关系，确定无人机的机动性能限制策略。

步骤2，根据当前飞行速度和机动性能限制策略，确定机动性能限制参数。

上述第一关系可以包括以下中之一：当前飞行位置位于缓冲区内，当前飞行位置位于停止区内，当前飞行位置位于禁飞区内；上述第二关系可以包括：当前飞行速度的方向与禁飞区的边界相交，或者当前飞行速度的方向与禁飞区的边界不相交。基于此，上述步骤1的操作方式可以分成以下几种情况进行：

情况1，若当前飞行位置位于缓冲区内且当前飞行速度的方向与禁飞区的边界相交，则确定机动性能限制策略为第一限制策略。

其中，上述第一限制策略可以包括：限制无人机的飞行速度大小按照当前飞行位置与第一边界之间距离从大到小的顺序进行递减，和/或限制无人机的飞行姿态在使无人机保持飞行姿态角不超过第一角度阈值的第一姿态范围内。

情况2，若当前飞行位置位于停止区内且当前飞行速度的方向与禁飞区的边界相交，则确定机动性能限制策略为第二限制策略。

其中，上述第二限制策略可以包括：限制无人机的飞行速度大小不超过第一速度阈值，和/或限制无人机的飞行姿态在使无人机保持水平飞行的第二姿态范围内；

情况3，若当前飞行位置位于停止区内且当前飞行速度的方向与禁飞区的边界不相交，则确定机动性能限制策略为第三限制策略。

其中，上述第三限制策略可以包括：限制无人机的飞行速度大小不超过第二速度阈值，和/或限制无人机的飞行姿态在使无人机保持飞行姿态角不超过第二角度阈值的第三姿态范围内；第一速度阈值小于第二速度阈值。

情况4，若当前飞行位置位于禁飞区内，则确定机动性能限制策略为第四限制策略。

其中，上述第四限制策略可以包括：限制无人机的飞行速度和/或飞行姿态使无人机原地降落。

为了便于理解，在此以机动性能限制策略仅涉及无人机飞行速度限制为例对上述步骤1的操作方式进行示例性描述如下。

参见图6所示，上述步骤1可以按照以下操作方式进行：

第1步，计算local坐标系下的位置坐标（pntPos）和速度（pntVel）。即：将无人机当前飞行位置和当前飞行速度从大地坐标系（如WGS84坐标系等）转换到local坐标系，从而得到无人机在local坐标系下的位置坐标（pntPos）和速度（pntVel）。

第2步，判断禁飞区的边界形状类型。

若禁飞区的边界形状类型为多边形，则计算local坐标系下禁飞区和停止区的顶点坐标（即将禁飞区和停止区的顶点从大地坐标系转换到local坐标系），并计算以pntPos为端点的射线与停止区的交点数；若禁飞区的边界形状类型为圆形，则计算local坐标系下禁飞区和停止区的圆心坐标（即将禁飞区和停止区的圆心从大地坐标系转换到local坐标系），并计算pntPos与停止区圆心坐标之间的距离；若禁飞区的边界形状类型为其他，则跳过第3步和第4步并直接执行第5步。

第3步，判断当前飞行位置是否在停止区内。

第4步，判断当前飞行速度方向与禁飞区是否存在交点。

若上述第3步中当前飞行位置不在停止区内且上述第4步中当前飞行速度方向与禁飞区不存在交点，则执行第5步；若上述第3步中当前飞行位置不在停止区内且上述第4步中当前飞行速度方向与禁飞区存在交点，则执行第6步；若上述第3步中当前飞行位置在停止区内且上述第4步中当前飞行速度方向与禁飞区不存在交点，则执行第7步；若上述第3步中当前飞行位置在停止区内且上述第4步中当前飞行速度方向与禁飞区存在交点，则执行第8步；

第5步，不限制无人机的飞行速度。即：设置飞行速度的限制值V_limit无限制。

第6步，限制无人机的飞行速度大小按照当前飞行位置与停止区边界之间距离从大到小的顺序进行递减。即：按照公式V_limit= dist/DIST × V_max设置飞行速度的限制值V_limit，其中，dist为当前飞行位置与停止区边界之间距离，DIST为缓冲区边界与停止区边界之间距离，为无人机在缓冲区边界上时的最大速度。

第7步，限制无人机的飞行速度大小为无人机在缓冲区边界上时的最大速度的10%。即：按照公式V_limit= 10% × V_max设置飞行速度的限制值V_limit。

第8步，限制无人机的飞行速度大小为0。即：设置飞行速度的限制值V_limit= 0 m/s。

作为一种可能的实施方式，上述无人机的控制方法还可以包括：监听无人机的指令信息输入状态。

其中，上述指令信息可以包括指令速度、指令姿态等，对此不进行限定。指令速度可以指期望无人机在飞行时保持的飞行速度（实际飞行速度可能与指令速度偏差较大），指令姿态可以指期望无人机在飞行时保持的飞行姿态（实际飞行姿态可能与指令姿态偏差较大）。

相应地，上述步骤S110（即根据机动性能限制参数，控制无人机的飞行）可以包括：在监听到无人机有指令信息输入时，根据指令信息和机动性能限制参数，生成无人机的姿态指令；应用姿态指令控制无人机的飞行。

在无人机飞行的实际应用场景中，除了包括无人机自动导航飞行的场景外，还包括用户使用遥控器操作无人机飞行的场景。针对用户使用遥控器操作无人机飞行的场景，该场景在行业内通常将无人机的飞行分为速度模式和姿态模式两种情况。上述机动性能限制参数在速度模式下表现为对无人机上限速度的限制，上述机动性能限制参数在姿态模式下表现为根据无人机当前的飞行速度与飞行速度上限之间的差值对无人机的飞行姿态做出限制（涉及姿态角的限制）。

对于用户使用遥控器操作无人机飞行的情况，用户对遥控器进行的每次操作相应地会向无人机输入该次操作对应的指令信息（如指令速度、指令姿态等）；在根据无人机的当前飞行位置和当前飞行速度以及禁飞区的位置和形状确定无人机的机动性能限制参数之后，可根据遥控器操作对应向无人机输入的指令信息以及确定出的机动性能限制参数（如上述V_limit），生成无人机的姿态指令以控制无人机的飞行。

参见图7所示，在位置模式和姿态模式下利用遥控器产生的输入信号和机动性能限制参数共同生成姿态指令的操作方式主要包括：

对无人机进行模式判断；若无人机处于速度模式，则根据遥控器产生的输入信号生成指令速度，并根据指令速度和机动性能限制参数生成姿态指令；若无人机处于姿态模式，则根据遥控器产生的输入信号生成指令姿态；之后将姿态指令转换成电机转速从而作用于无人机的电机以实现无人机的飞行控制。

从上文中不难看出，无人机的当前飞行位置和当前飞行速度各自与禁飞区之间的关系决定了无人机当前情况下应该受到的机动性能限制程度。其中，所涉及的位置关系计算相对简单，因为位置关系是直接由无人机的位置坐标和禁飞区的位置坐标计算的；而所涉及的速度关系计算相对复杂，因为针对无人机的应用场景而言存在指令速度（即期望无人机保持的飞行速度）、反馈速度（即无人机实际的飞行速度）等不同定义的速度，虽然这些速度在大多数情况下数值相近，但是仍然存在互相矛盾的情况。

在无人机处于速度模式的情况下，无人机的飞行速度方向被定义为指令速度的方向，上述机动性能限制参数被定义为一个取值范围为[0,1]的参数直接施加在速度指令上。例如，由遥控器产生的输入信号（如遥控器摇杆的杆量）生成一个A m/s的指令速度，机动性能限制参数为一个B %的限幅，则生成一个速度指令C = A × B %，并依据速度指令C生成无人机的姿态指令，由姿态指令转换成电机转速作用在无人机的电机上。

在无人机处于在姿态模式的情况下，由于无法直接产生指令速度，且指令姿态产生的加速度方向与速度方向未必是相同的，因此，一般情况下将无人机的飞行速度方向定义为反馈速度的方向；当无人机静止或者反馈速度极小时（此时的反馈速度极有可能是噪声形成的），将无人机的指令姿态产生的加速度的方向定义为速度方向。

同样，由于在姿态模式下无法直接产生速度指令，只能直接生成姿态指令，然而，对机动性能的直观考量体现在速度上，因此，在无人机处于姿态模式下实现无人机的机动性能限制可按照图8所示的流程进行：

比较反馈速度和限制速度；若反馈速度小于限制速度，则计算正向速度余量 = 限制速度 – 反馈速度，并计算姿态余量参数 = 正向速度余量 / 最大速度，之后将姿态余量参数与遥控器生成的姿态目标量（即指令姿态）相乘得出指令姿态；反馈速度小于限制速度，则计算反向减速目标量 = 限制速度 – 反馈速度，并计算减速姿态目标量参数 = MAX(反向减速目标量 / 最大速度, 1)，之后将减速姿态目标量参数与遥控器生成的姿态目标量相乘得出姿态指令。

例如：无人机在姿态模式下最大速度为25m/s，指令姿态为35°，无人机已经处在缓冲区内，无人机的当前飞行速度为0m/s，无人机的限制速度为15m/s，则此时正向速度余量为15 - 0 = 15m/s，根据正向速度余量和最大速度计算出的姿态余量参数为15 / 25 =0.6，则此时姿态指令（即姿态角）为350.6 = 21°。

再例如：无人机在姿态模式下最大速度为25m/s，指令姿态为35°，无人机已经处在停止区内，无人机的当前飞行速度为20m/s，无人机的限制速度为0m/s，则此时反向减速目标量为0-20 = -20m/s，根据反向减速目标量和最大速度计算出的减速姿态目标量参数为MAX (-20/25, 1) =1，此时则此时姿态指令（即减速姿态角）为351 = 35°，因为进入停止区后需要强制减速，实际的姿态指令为减速姿态角。

根据图8所示的流程可知：如果遥控器生成的姿态角大于机动性能限制计算的姿态角，则此时实际的姿态指令为遥控器生成的姿态角；如果遥控器生成的姿态角小于机动性能限制计算的姿态角，则此时实际的姿态指令为机动性能限制计算的姿态角。

作为一种可能的实施方式，上述无人机的控制方法还可以包括：根据上述机动性能限制参数，向与无人机通信连接的控制台发送上述机动性能限制参数对应的警示信息，以通过控制台显示警示信息。采用该操作方式，控制台的操作人员能够根据警示信息实时了解禁飞区的位置和范围，以便及时通过控制台操作无人机以避免无人机进入禁飞区。

为了便于对上述无人机的控制方法进行理解，在此对用户使用遥控器操作无人机飞行的场景下无人机的机动性能限制策略进行示例性描述如下。

定义无人机当前飞行位置为p，定义无人机当前飞行速度为v，可按照p和v与各策略区域（即禁飞区、停止区和缓冲区）之间关系的不同情况定义无人机的行为如下表1所示。

表1 p和v与各策略区域之间关系情况下无人机的行为示例表

上述表1中，v接近禁飞区是指当前速度方向与禁飞区的边界存在交点，v远离禁飞区是指当前速度方向与禁飞区的边界不存在交点。

在实际应用过程中，还可将上述无人机的控制方法编写成无人机的飞控算法，该飞控算法的功能主要体现在以下几个方面：

空域识别：飞控算法会利用航空航天数据、地图信息以及实时数据源来识别空域中的禁飞区域，这些禁飞区可能是军事基地、机场、重要设施或临时设置的紧急禁飞区，飞控算法会将这些禁飞区标记，并在无人机飞行到附近或者内部时触发相关逻辑。

实时更新：飞控算法需要保持与机载处理器通信，以实时获取最新的禁飞区数据。具体地，由于禁飞区的设置位置可能会根据实际情况变化，因而飞控算法需要实时更新信息，以确保无人机飞行路径的准确性和合规性。

飞行限制：当无人机进入禁飞区附近时，飞控算法将实施飞行限制措施。根据飞行位置的不同，所实施的飞行限制措施可能包括降低速度、原地降落等，以避免无人机非法进入禁飞区。

告警提示：飞控算法还可以在无人机操作员的控制台上显示禁飞区的警示信息，当在禁飞区附近且朝向禁飞区飞行时会加以提示，这样操作员能够实时了解禁飞区的位置和范围，从而及时进行相关控制台操作以避免无人机进入禁飞区。

上述飞控算法能够处理包括圆形、凹多边形、凸多边形在内的已知所有类型的禁飞区，不仅包含了提示和告警，还生成了直接作用于无人机的控制和规划策略。上述飞控算法适用于用户手动操控无人机飞行的场景，尤其适用于以速度控制无人机飞行的场景和以姿态控制无人机飞行的场景。上述飞控算法在禁飞区外侧根据无人机到禁飞区距离的不同，划分了三种不同的策略区域，并根据无人机的当前运动方向或者当前指令方向是否指向禁飞区，给出了不同的应对策略，使无人机在不会进入禁飞区的基础上，尽可能保证了使用者的使用体验。

总体而言，上述无人机的控制方法可以确保无人机在飞行过程中遵守法规和安全要求，避免飞行活动对人类和设施造成潜在的威胁，以促进无人机的安全、合规和有效应用。

基于上述无人机的控制方法，本发明实施例还提供一种无人机的控制装置，参见图9所示，该装置可以包括以下模块：

第一获取模块902，用于获取无人机的当前飞行信息；其中，所述当前飞行信息包括当前飞行位置和当前飞行速度。

第二获取模块904，用于获取禁飞区的位置信息和形状信息；其中，所述形状信息包括边界形状。

第一确定模块906，用于根据所述位置信息和所述边界形状，确定所述禁飞区外侧的至少两个限制区；其中，每个限制区均由所述禁飞区的边界向外扩张而成；

第二确定模块908，用于根据所述当前飞行速度以及所述当前飞行速度和所述当前飞行位置各自分别与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的关系，确定所述当前飞行信息以及所述位置信息和所述形状信息，确定所述无人机的机动性能限制参数；其中，所述机动性能限制参数包括飞行速度限制参数和/或飞行姿态限制参数。

控制模块910，用于根据所述机动性能限制参数，控制所述无人机的飞行。

上述无人机的控制装置可以在无人机飞行过程中提前识别禁飞区并进行相应飞行控制，从而避免无人机飞行对禁飞区造成的潜在威胁，利于促进无人机的合理应用。

上述第二确定模块908还可以用于：根据所述当前飞行位置与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的第一关系以及所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区之间的第二关系，确定所述无人机的机动性能限制策略；根据所述当前飞行速度和所述机动性能限制策略，确定所述机动性能限制参数。

上述至少两个限制区可以包括由内向外依次设置的停止区和缓冲区；基于此，上述第一确定模块906还可以用于：根据所述位置信息和所述边界形状，依次向外扩张所述禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界；将所述禁飞区的边界与所述第一边界所围成的区域确定为所述停止区；将所述第一边界与所述第二边界所围成的区域确定为所述缓冲区。

上述第一关系可以包括以下中之一：所述当前飞行位置位于所述缓冲区内，所述当前飞行位置位于所述停止区内，所述当前飞行位置位于所述禁飞区内；上述第二关系可以包括：所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，或者所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界不相交。

上述第二确定模块908还可以用于：若所述当前飞行位置位于所述缓冲区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，则确定所述机动性能限制策略为第一限制策略；其中，所述第一限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小按照所述当前飞行位置与所述第一边界之间距离从大到小的顺序进行递减，和/或限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持飞行姿态角不超过第一角度阈值的第一姿态范围内。

上述第二确定模块908还可以用于：若所述当前飞行位置位于所述停止区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，则确定所述机动性能限制策略为第二限制策略；其中，所述第二限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小不超过第一速度阈值，和/或限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持水平飞行的第二姿态范围内；若所述当前飞行位置位于所述停止区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界不相交，则确定所述机动性能限制策略为第三限制策略；其中，所述第三限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小不超过第二速度阈值，和/或限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持飞行姿态角不超过第二角度阈值的第三姿态范围内；所述第一速度阈值小于所述第二速度阈值。

上述第二确定模块908还可以用于：若所述当前飞行位置位于所述禁飞区内，则确定所述机动性能限制策略为第四限制策略；其中，所述第四限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度和/或飞行姿态使所述无人机原地降落。

参见图9所示，上述无人机的控制装置还可以包括：

监听模块912，用于监听所述无人机的指令信息输入状态；其中，所述指令信息包括指令速度和/或指令姿态。

警示模块914，用于根据所述机动性能限制参数，向与所述无人机通信连接的控制台发送所述机动性能限制参数对应的警示信息，以通过所述控制台显示所述警示信息。

上述控制模块910还可以用于：在监听到所述无人机有指令信息输入时，根据所述指令信息和所述机动性能限制参数，生成所述无人机的姿态指令；应用所述姿态指令控制所述无人机的飞行。

上述禁飞区的边界形状可以为多边形，上述形状信息可以包括多边形的各内角大小，上述位置信息可以包括多边形的各顶点位置；基于此，上述第一确定模块906还可以用于：确定所述禁飞区的第一扩张参数和第二扩张参数；其中，所述第二扩张参数的值大于所述第一扩张参数的值；根据所述第一扩张参数以及多边形的各内角大小和各顶点位置，确定每个顶点位置各自对应的第一扩张位置，并基于全部第一扩张位置生成所述第一边界；根据所述第二扩张参数以及多边形的各内角大小和各顶点位置，确定每个顶点位置各自对应的第二扩张位置，并基于全部第二扩张位置生成所述第二边界。

上述禁飞区的边界形状可以为圆形，上述形状信息可以包括圆形的半径大小，上述位置信息可以包括圆形的圆心位置；基于此，上述第一确定模块906还可以用于：确定所述禁飞区的第一扩张半径大小和第二扩张半径大小；其中，所述第二扩张半径大小大于所述第一扩张半径大小；以所述第一扩张半径大小作为半径大小，为所述禁飞区生成第一同心圆作为所述第一边界；以所述第二扩张半径大小作为半径大小，为所述禁飞区生成第二同心圆作为所述第二边界。

本发明实施例所提供的无人机的控制装置，其实现原理及产生的技术效果和前述无人机的控制方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例还提供一种计算机存储介质，用于存储为上述无人机的控制方法所用的计算机软件指令，具体实现可参见前述方法实施例，在此不再赘述。

本发明实施例所提供的无人机的控制方法和装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

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，可以存储在一个处理器可执行的非易失的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，包括若干指令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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种无人机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取无人机的当前飞行信息；其中，所述当前飞行信息包括当前飞行位置和当前飞行速度；

获取禁飞区的位置信息和形状信息；其中，所述形状信息包括边界形状；

根据所述位置信息和所述边界形状，确定所述禁飞区外侧的至少两个限制区；其中，每个限制区均由所述禁飞区的边界向外扩张而成；

根据所述当前飞行速度以及所述当前飞行速度和所述当前飞行位置各自分别与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的关系，确定所述无人机的机动性能限制参数；其中，所述机动性能限制参数包括飞行速度限制参数和飞行姿态限制参数；所述飞行速度限制参数用于限制所述无人机的飞行速度，所述飞行姿态限制参数用于限制所述无人机的飞行姿态；

根据所述机动性能限制参数，控制所述无人机的飞行；

根据所述当前飞行速度以及所述当前飞行速度和所述当前飞行位置各自分别与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的关系，确定所述无人机的机动性能限制参数，包括：

根据所述当前飞行位置与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的第一关系以及所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区之间的第二关系，确定所述无人机的机动性能限制策略；

根据所述当前飞行速度和所述机动性能限制策略，确定所述机动性能限制参数；

所述至少两个限制区包括由内向外依次设置的停止区和缓冲区；根据所述当前飞行位置与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的第一关系以及所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区之间的第二关系，确定所述无人机的机动性能限制策略，包括：

若所述当前飞行位置位于所述缓冲区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，则确定所述机动性能限制策略为第一限制策略；其中，所述第一限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小按照所述当前飞行位置与第一边界之间距离从大到小的顺序进行递减，并限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持飞行姿态角不超过第一角度阈值的第一姿态范围内；

若所述当前飞行位置位于所述停止区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，则确定所述机动性能限制策略为第二限制策略；其中，所述第二限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小不超过第一速度阈值，并限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持水平飞行的第二姿态范围内；

根据所述机动性能限制参数，控制所述无人机的飞行，包括：在监听到所述无人机有指令信息输入时，根据所述指令信息和所述机动性能限制参数以及所述无人机的当前飞行模式，生成所述无人机的姿态指令；应用所述姿态指令控制所述无人机的飞行；

若当前飞行模式为姿态模式，则所述指令信息包括指令姿态且所述飞行速度限制参数包括所述无人机的限制速度，根据所述指令信息和所述机动性能限制参数以及所述无人机的当前飞行模式，生成所述无人机的姿态指令，包括：计算限制速度与当前飞行速度之间差值；根据限制速度与当前飞行速度之间差值以及所述无人机的最大飞行速度计算出所述无人机的姿态余量参数或减速姿态目标量参数，并将姿态余量参数或减速姿态目标量参数与指令姿态相乘以得到姿态指令。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述位置信息和所述边界形状，确定所述禁飞区外侧的至少两个限制区，包括：

根据所述位置信息和所述边界形状，依次向外扩张所述禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界；

将所述禁飞区的边界与所述第一边界所围成的区域确定为所述停止区；

将所述第一边界与所述第二边界所围成的区域确定为所述缓冲区。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一关系包括以下中之一：所述当前飞行位置位于所述缓冲区内，所述当前飞行位置位于所述停止区内，所述当前飞行位置位于所述禁飞区内；所述第二关系包括：所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，或者所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界不相交。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述当前飞行位置与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的第一关系以及所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区之间的第二关系，确定所述无人机的机动性能限制策略，还包括：

若所述当前飞行位置位于所述停止区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界不相交，则确定所述机动性能限制策略为第三限制策略；其中，所述第三限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小不超过第二速度阈值，和/或限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持飞行姿态角不超过第二角度阈值的第三姿态范围内；所述第一速度阈值小于所述第二速度阈值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述当前飞行位置与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的第一关系以及所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区之间的第二关系，确定所述无人机的机动性能限制策略，还包括：

若所述当前飞行位置位于所述禁飞区内，则确定所述机动性能限制策略为第四限制策略；其中，所述第四限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度和/或飞行姿态使所述无人机原地降落。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

监听所述无人机的指令信息输入状态；其中，所述指令信息包括指令速度和/或指令姿态。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述机动性能限制参数，向与所述无人机通信连接的控制台发送所述机动性能限制参数对应的警示信息，以通过所述控制台显示所述警示信息。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述禁飞区的边界形状为多边形，所述形状信息包括多边形的各内角大小，所述位置信息包括多边形的各顶点位置；根据所述位置信息和所述形状信息，依次向外扩张所述禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界，包括：

确定所述禁飞区的第一扩张参数和第二扩张参数；其中，所述第二扩张参数的值大于所述第一扩张参数的值；

根据所述第一扩张参数以及多边形的各内角大小和各顶点位置，确定每个顶点位置各自对应的第一扩张位置，并基于全部第一扩张位置生成所述第一边界；

根据所述第二扩张参数以及多边形的各内角大小和各顶点位置，确定每个顶点位置各自对应的第二扩张位置，并基于全部第二扩张位置生成所述第二边界。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述禁飞区的边界形状为圆形，所述形状信息包括圆形的半径大小，所述位置信息包括圆形的圆心位置；根据所述位置信息和所述形状信息，依次向外扩张所述禁飞区的边界从而依次得到第一边界和第二边界，包括：

确定所述禁飞区的第一扩张半径大小和第二扩张半径大小；其中，所述第二扩张半径大小大于所述第一扩张半径大小；

以所述第一扩张半径大小作为半径大小，为所述禁飞区生成第一同心圆作为所述第一边界；

以所述第二扩张半径大小作为半径大小，为所述禁飞区生成第二同心圆作为所述第二边界。

10.一种无人机的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取无人机的当前飞行信息；其中，所述当前飞行信息包括当前飞行位置和当前飞行速度；

第二获取模块，用于获取禁飞区的位置信息和形状信息；其中，所述形状信息包括边界形状；

第一确定模块，用于根据所述位置信息和所述边界形状，确定所述禁飞区外侧的至少两个限制区；其中，每个限制区均由所述禁飞区的边界向外扩张而成；

第二确定模块，用于根据所述当前飞行速度以及所述当前飞行速度和所述当前飞行位置各自分别与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的关系，确定所述无人机的机动性能限制参数；其中，所述机动性能限制参数包括飞行速度限制参数和飞行姿态限制参数；所述飞行速度限制参数用于限制所述无人机的飞行速度，所述飞行姿态限制参数用于限制所述无人机的飞行姿态；

控制模块，用于根据所述机动性能限制参数，控制所述无人机的飞行；

所述第二确定模块还用于：根据所述当前飞行位置与所述禁飞区和所述至少两个限制区之间的第一关系以及所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区之间的第二关系，确定所述无人机的机动性能限制策略；根据所述当前飞行速度和所述机动性能限制策略，确定所述机动性能限制参数；

所述至少两个限制区包括由内向外依次设置的停止区和缓冲区；所述第二确定模块还用于：

若所述当前飞行位置位于所述缓冲区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，则确定所述机动性能限制策略为第一限制策略；其中，所述第一限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小按照所述当前飞行位置与第一边界之间距离从大到小的顺序进行递减，并限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持飞行姿态角不超过第一角度阈值的第一姿态范围内；

若所述当前飞行位置位于所述停止区内且所述当前飞行速度的方向与所述禁飞区的边界相交，则确定所述机动性能限制策略为第二限制策略；其中，所述第二限制策略包括：限制所述无人机的飞行速度大小不超过第一速度阈值，并限制所述无人机的飞行姿态在使所述无人机保持水平飞行的第二姿态范围内；

所述控制模块还用于：在监听到所述无人机有指令信息输入时，根据所述指令信息和所述机动性能限制参数以及所述无人机的当前飞行模式，生成所述无人机的姿态指令；应用所述姿态指令控制所述无人机的飞行；

若当前飞行模式为姿态模式，则所述指令信息包括指令姿态且所述飞行速度限制参数包括所述无人机的限制速度，根据所述指令信息和所述机动性能限制参数以及所述无人机的当前飞行模式，生成所述无人机的姿态指令，包括：计算限制速度与当前飞行速度之间差值；根据限制速度与当前飞行速度之间差值以及所述无人机的最大飞行速度计算出所述无人机的姿态余量参数或减速姿态目标量参数，并将姿态余量参数或减速姿态目标量参数与指令姿态相乘以得到姿态指令。

11.一种计算机存储介质，其特征在于，用于存储为权利要求1至9任一项所述方法所用的计算机软件指令。