CN117406783B - 一种无人机禁飞区分析方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无人机禁飞区分析方法和系统，涉及无人机禁飞领域，本申请包括无人机接收禁飞区信息后自检，处理无人机到禁飞区三维航线并降维至二维水平平面航线图，在二维水平平面航线图中对穿过无人机所在位置点构建水平或竖直直线，水平或竖直直线穿过组成禁飞区的多条闭合的首尾相连的禁飞区向量；对于每一个被穿过的禁飞区向量：被穿过的禁飞区向量叉乘被穿过的禁飞区向量起点到无人机所在位置点向量，获取叉乘结果，叉乘顺序对应禁飞区的首尾相连方向，判断叉乘方向变化次数，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，否则，反之。本申请采用的分析方法，占用低资源少，计算量低，成本低，方便搭载在各类模块上运行。

Description

一种无人机禁飞区分析方法和系统

技术领域

本申请涉及无人机禁飞领域，具体涉及一种无人机禁飞区分析方法和系统。

背景技术

无人机起飞在禁飞区时，是否启动，而无人机在靠近禁飞区时报警，需要在当前轨迹穿越禁飞区时限速，保证飞行器在禁飞区边界前刹停。

因此，亟需一种无人机禁飞区限制方法和系统，包括无人机对禁飞区的识别，并控制无人机限制在禁飞区前。

发明内容

本申请一种无人机禁飞区分析方法和系统，解决现有技术中的问题。

第一方面，一种无人机禁飞区分析方法，包括：

无人机接收禁飞区信息后自检，处理无人机到禁飞区三维航线并降维至二维水平平面航线图，在二维水平平面航线图中对穿过无人机所在位置点构建水平或竖直直线，所述水平或竖直直线穿过组成禁飞区的多条闭合的首尾相连的禁飞区向量；

对于每一个被穿过的禁飞区向量：被穿过的禁飞区向量叉乘所述被穿过的禁飞区向量起点到无人机所在位置点向量，获取叉乘结果，叉乘顺序对应禁飞区的首尾相连方向，判断叉乘方向变化次数，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，否则，反之。

进一步的，所述无人机接收禁飞区信息后自检，之前还包括：

无人机发送GPS信息至基站；

基站基于GPS信息筛选邻近禁飞区，筛选完成发送禁飞区信息至无人机。

进一步的，在所述无人机发送GPS信息至基站，之前还包括：

基站确认禁飞区指令；

基站判断是否开启禁飞区；

当基站判断开启禁飞区时，基站发送禁飞区限制指令至无人机并构建与无人机专属通信。

进一步的，自检包括：起飞自检或悬停自检或飞行路径；

自检时刻，二维平面化处理禁飞区为禁飞区多边形，无人机相对禁飞区静止，对禁飞区形成的禁飞区多边形端点编号并按同一顺时针或逆时针方向构建首尾相连合向量为0的多个禁飞区向量，构建包括无人机所在GPS信息对应的无人机位置点与多个首尾相连的禁飞区向量的同一坐标系，所述同一坐标系为二维水平平面所在的坐标系。

进一步的，当变化偶数次，无人机在禁飞区内部，封锁无人机动力核心。

进一步的，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，判断无人机所在航线是否穿过禁飞区，当无人机所在航线穿过禁飞区，则对无人机在运行路径上限速，包括如下步骤：

判断无人机与禁飞区的最近距离是否大于安全距离，

当最近距离小于安全距离，限速刹停；

当最近距离大于安全距离，然后根据无人机最大制动加速度限制无人机限制当前最大速度；

其中，无人机与禁飞区的最近距离，为，无人机根据计算当前速度方向延长线上与禁飞区边界的交点的距离。

进一步的，还包括判断无人机与禁飞区的相对位置，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，此时，依据穿过的禁飞区向量与所述穿过的禁飞区向量首端到无人机所在位置点向量叉乘值，判断无人机位于所述穿过的禁飞区向量的左侧或右侧或向量上，当叉乘值大于0时，无人机在所述穿过的禁飞区向量所在直线的左侧，当叉乘值小于0时，在右侧，当叉乘值等于0时，在穿过的禁飞区向量上；

依次判断每一个穿过的禁飞区向量与所述穿过的禁飞区向量首端到无人机所在位置点向量叉乘的正负，通过每一个值的大小，最终获取无人机在禁飞区外部的位置关系。

第二方面，本申请提供一种无人机禁飞区分析系统，用于实现如第一方面任一所述的一种无人机禁飞区分析方法，包括无人机和基站；

所述基站与所述无人机交互，共同作用分析无人机与禁飞区的相对关系，依据所述相对关系限制无人机相对禁飞区的运动。

本申请的原理：

通过将gps数据转换为二维坐标数据，结合基站关于禁飞区的信息，向量处理，三维叉积变为二维叉乘，叉乘的模存在正负，顺序叉乘引起的正负变化揭示了无人机与禁飞区的相对位置，即，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，否则，反之。

本申请提供的一种无人机禁飞区分析方法和系统，通过对基站进行设置，配合无人机实现分析、运动指导，在禁飞区前限制运动，计算简单、便捷；

本申请采用的分析方法，占用低资源少，计算量低，成本低，方便搭载在各类模块上运行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：

图1为本申请一示例性实施例提供的一种无人机禁飞区分析方法流程图。

图2为本申请一示例性实施例提供的一种无人机禁飞区分析方法中原理示意图。

图3为本申请一示例性实施例提供的一种无人机禁飞区分析系统中无人机与禁飞区的最近距离计算原理示意图。

图4为本申请一示例性实施例提供的一种无人机禁飞区分析系统中自动判断航线是否穿越禁飞区原理示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

首先对本申请所涉及的名词进行解释：

关于向量叉积，在数学和向量代数领域，向量叉积（英语：Cross product）又称向量积（英语：Vector product），是对三维空间中的两个向量的二元运算。其表示为。向量叉积满足以下定义。

模长：（在这里θ表示两向量之间的夹角（共起点的前提下）（0°≤θ≤180°），它位于这两个矢量所定义的平面上。）

方向：a向量与b向量的向量积的方向与这两个向量所在平面垂直，且遵守右手定则。（一个简单的确定满足“右手定则”的结果向量的方向的方法是这样的：若坐标系是满足右手定则的，当右手的四指从a以不超过180度的转角转向b时，竖起的大拇指指向是c的方向。）

向量ａ与向量ｂ的叉积结果，生成了一个新的向量ｃ，且垂直与ａ与ｂ所构成的平面。叉积做了升维：ａｂｃ三个向量，构成了一个三维的体系。

对于二维向量叉乘：可以判断左右，判断是否共线。

若存在向量。则在三维空间中表示为/>。

上述提到，叉积形成的向量方向由右手螺旋定则确定，因此根据 的符号，可以确定 />相对于 />的方向。存在以下关系：

，两向量共线；

， />在/>左侧；

，/>在 />右侧。

即可以根据叉乘符号判断两向量的相对方位（左、右）。

对于凸多边形而言当一个点在每个多边形边的一侧（顺时针或逆时针）时，该点就在多边形的内部。但该判定在多边形非凸时失效。

对于凹多边形，常用方法为引射线法。若从目标点出发引一条射线，观察这条射线和多边形所有边的交点数目。如果有奇数个交点，则说明在内部，如果有偶数个交点，则说明在外部。

本方案提出一种根据叉积运算简明判断点是否在多边形内部的方法，如图2所示。为顺序首尾相连的向量，和向量为零，其中P2、P3、P4在一条直线上，P3在1→0,2→1之间，穿过P3的直线经过1→0,2→1，P3位于禁飞区外侧，P4位于 禁飞区内侧，P4在,2→1，3→2之间，穿过P4的直线经过2→1，3→2，P2在0→9的外侧、左侧；P在0→9的外侧、左侧；P6在0→9的外侧、左侧；自上到下依次是，P2、P、P6；P7在禁飞区的内侧，P7在0→9，9→8之间，穿过P7的直线经过0→9，9→8，P5在禁飞区的内侧，P5在0→9，9→8，8→7,7→6,6→5,5→4,4→3之间，穿过P5的直线经过0→9, 4→3。

边界点以顺时针（或逆时针）按顺序排列。

若点P在左侧，则/>;

若点P在右侧，则/>。

如上图所示，由P点所在直线上经过/>，/>：

点P在多边形外部。

对点：

点在多边形内部。

一般的，在直线经过的边界点向量/>，其与点P形成的向量/>。若P在多边形外部，则叉积方向变化奇数次，若P在多边形内部，则叉积方向变化偶数次。

本申请的自检为对无人机关于禁飞区的相对位置状况进行检查，本申请搭载的计算模块，即方法步骤的处理步骤，可以是在基站上实现，也可以是在无人机上实现，甚至还可以是多部分交互共同实现，还可以在集中的服务器上实现；

本申请的应用场景为：本申请可以用于任何包括无人机的系统，也可以是用于对无人机的禁飞区相关操作中可能需要分析位置相对关系的方法

实施例1：

本实施例提供一种无人机禁飞区分析方法，包括如下步骤：

s1、无人机接收禁飞区信息后自检；

s2、处理无人机到禁飞区三维航线并降维至二维水平平面航线图；

s3、在二维水平平面航线图中对穿过无人机所在位置点构建水平或竖直直线，所述水平或竖直直线穿过组成禁飞区的多条闭合的首尾相连的禁飞区向量；

s4、对于每一个被穿过的禁飞区向量：

被穿过的禁飞区向量叉乘所述被穿过的禁飞区向量起点到无人机所在位置点向量，获取叉乘结果，叉乘顺序对应禁飞区的首尾相连方向，判断叉乘方向变化次数，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，否则，反之。

所述无人机接收禁飞区信息后自检，之前还包括：无人机发送GPS信息至基站；基站基于GPS信息筛选邻近禁飞区，筛选完成发送禁飞区信息至无人机。在所述无人机发送GPS信息至基站，之前还包括：基站确认禁飞区指令；基站判断是否开启禁飞区；当基站判断开启禁飞区时，基站发送禁飞区限制指令至无人机并构建与无人机专属通信。自检包括：起飞自检或悬停自检或飞行路径；自检时刻，二维平面化处理禁飞区为禁飞区多边形，无人机相对禁飞区静止，对禁飞区形成的禁飞区多边形端点编号并按同一顺时针或逆时针方向构建首尾相连合向量为0的多个禁飞区向量，构建包括无人机所在GPS信息对应的无人机位置点与多个首尾相连的禁飞区向量的同一坐标系，所述同一坐标系为二维水平平面所在的坐标系。

进一步的，当变化偶数次，无人机在禁飞区内部，封锁无人机动力核心。

进一步的，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，判断无人机所在航线是否穿过禁飞区，当无人机所在航线穿过禁飞区，则对无人机在运行路径上限速，包括如下步骤：

判断无人机与禁飞区的最近距离是否大于安全距离，

当最近距离小于安全距离，限速刹停；

当最近距离大于安全距离，然后根据无人机最大制动加速度限制无人机限制当前最大速度；

还包括判断无人机与禁飞区的相对位置，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，此时，依据穿过的禁飞区向量与所述穿过的禁飞区向量首端到无人机所在位置点向量叉乘值，判断无人机位于所述穿过的禁飞区向量的左侧或右侧或向量上，当叉乘值大于0时，无人机在所述穿过的禁飞区向量所在直线的左侧，当叉乘值小于0时，在右侧，当叉乘值等于0时，在穿过的禁飞区向量上；依次判断每一个穿过的禁飞区向量与所述穿过的禁飞区向量首端到无人机所在位置点向量叉乘的正负，通过每一个值的大小，最终获取无人机在禁飞区外部的位置关系。

无人机与禁飞区的最近距离，为，无人机根据计算当前速度方向延长线上与禁飞区边界的交点的距离。

其中，为无人机能提供的最大加速度，如图3所示，distance为距离，是无人机根据计算当前速度方向延长线上与禁飞区边界的交点的距离。

采用动力学约束，传导到运动约束上，用于判定刹车距离；

为无人机实时速度，

为安全距离，

为无人机初始速度。

如图4所示，系统自动判断航线是否穿越禁飞区，若穿过禁飞区，则自动修正航点为该方向上禁飞区外几米远处，具体情况多少米根据现场智能设置或预先设置。

为当前位置到目标位置方向上与禁飞区边界最近交点。

P’为自动修正航点；

P为无人机的 position，当前位置。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或系统。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由上面的权利要求书指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (6)

1.一种无人机禁飞区分析方法，其特征在于，包括：

无人机接收禁飞区信息后自检，处理无人机到禁飞区三维航线并降维至二维水平平面航线图，在二维水平平面航线图中对穿过无人机所在位置点构建水平或竖直直线，所述水平或竖直直线穿过组成禁飞区的多条闭合的首尾相连的禁飞区向量；

对于每一个被穿过的禁飞区向量：被穿过的禁飞区向量叉乘所述被穿过的禁飞区向量起点到无人机所在位置点向量，获取叉乘结果，叉乘顺序对应禁飞区的首尾相连方向，判断叉乘方向变化次数，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，否则，反之；

当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，判断无人机所在航线是否穿过禁飞区，当无人机所在航线穿过禁飞区，则对无人机在运行路径上限速，包括如下步骤：

判断无人机与禁飞区的最近距离是否大于安全距离，

当最近距离小于安全距离，限速刹停；

当最近距离大于安全距离，然后根据无人机最大制动加速度限制无人机限制当前最大速度；

其中，无人机与禁飞区的最近距离，为，无人机根据计算当前速度方向延长线上与禁飞区边界的交点的距离；

无人机与禁飞区的最近距离，为，无人机根据计算当前速度方向延长线上与禁飞区边界的交点的距离；

其中，max_braking_acc，为无人机能提供的最大加速度，distance为距离，是无人机根据计算当前速度方向延长线上与禁飞区边界的交点的距离；

采用动力学约束，传导到运动约束上，用于判定刹车距离；

为无人机实时速度，

safty_distance为安全距离，

为无人机初始速度；

系统自动判断航线是否穿越禁飞区，若穿过禁飞区，则自动修正航点为该方向上禁飞区外几米远处，具体情况多少米根据现场智能设置或预先设置；

P_inter为当前位置到目标位置方向上与禁飞区边界最近交点；

P’为自动修正航点；

P为无人机的position，当前位置；

还包括判断无人机与禁飞区的相对位置，当变化奇数次，无人机在禁飞区外部，此时，依据穿过的禁飞区向量与所述穿过的禁飞区向量首端到无人机所在位置点向量叉乘值，判断无人机位于所述穿过的禁飞区向量的左侧或右侧或向量上，当叉乘值大于0时，无人机在所述穿过的禁飞区向量所在直线的左侧，当叉乘值小于0时，在右侧，当叉乘值等于0时，在穿过的禁飞区向量上；

依次判断每一个穿过的禁飞区向量与所述穿过的禁飞区向量首端到无人机所在位置点向量叉乘的正负，通过每一个值的大小，最终获取无人机在禁飞区外部的位置关系。

2.根据权利要求1所述的一种无人机禁飞区分析方法，其特征在于，所述无人机接收禁飞区信息后自检，之前还包括：

无人机发送GPS信息至基站；

基站基于GPS信息筛选邻近禁飞区，筛选完成发送禁飞区信息至无人机。

3.根据权利要求2所述的一种无人机禁飞区分析方法，其特征在于，在所述无人机发送GPS信息至基站，之前还包括：

基站确认禁飞区指令；

基站判断是否开启禁飞区；

当基站判断开启禁飞区时，基站发送禁飞区限制指令至无人机并构建与无人机专属通信。

4.根据权利要求3所述的一种无人机禁飞区分析方法，其特征在于，自检包括：起飞自检或悬停自检或飞行路径；

自检时刻，二维平面化处理禁飞区为禁飞区多边形，无人机相对禁飞区静止，对禁飞区形成的禁飞区多边形端点编号并按同一顺时针或逆时针方向构建首尾相连合向量为0的多个禁飞区向量，构建包括无人机所在GPS信息对应的无人机位置点与多个首尾相连的禁飞区向量的同一坐标系，所述同一坐标系为二维水平平面所在的坐标系。

5.根据权利要求1所述的一种无人机禁飞区分析方法，其特征在于，当变化偶数次，无人机在禁飞区内部，封锁无人机动力核心。

6.一种无人机禁飞区分析系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-5任一所述的一种无人机禁飞区分析方法，包括无人机和基站；

所述基站与所述无人机交互，共同作用分析无人机与禁飞区的相对关系，依据所述相对关系限制无人机相对禁飞区的运动。