CN117831353A - 一种高层消防救援无人机防撞预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机防撞预警技术领域，具体涉及一种高层消防救援无人机防撞预警方法。方法包括：基于无人机在高层消防救援过程中的实时速度确定扫描时间间隔，获取每次扫描对应的点云数据；根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量、无人机与障碍物参考面的距离，得到主方向的预警阈值；基于每次扫描时无人机与障碍物参考面的相对位置以及主方向的预警阈值，得到当前时刻每个次要方向的预警阈值，进而判断是否对无人机进行防撞预警。本发明在保证高层消防救援过程中无人机预警准确度的同时提高了预警的实时性。

Description

一种高层消防救援无人机防撞预警方法

技术领域

本发明涉及无人机防撞预警技术领域，具体涉及一种高层消防救援无人机防撞预警方法。

背景技术

无人机被广泛应用于搜索与救援任务中，包括灾难救援搜寻等，无人机本身搭载了摄像头、激光雷达等传感器能够提供实时信息，从而快速确定目标位置，无人机在复杂、动态的环境中操作，因此防止其与障碍物或其他无人机碰撞至关重要，防撞预警有助于保护无人机本身以及地面人员免受潜在的碰撞伤害，避免人员伤亡或设备损坏，因此，对高层消防救援无人机进行防撞预警至关重要。

在对高层消防救援无人机进行防撞预警时，实时性至关重要，但是激光雷达在短时间内能够生成大量的离散点，无人机通过激光雷达扫描获得的点云数据所涵盖的数据点数量往往较多，在实时的防撞预警中，处理大量的点云数据会降低计算的效率，进而使得高层消防救援无人机防撞预警的实时性较差。

发明内容

为了解决现有方法在对高层消防救援无人机进行防撞预警时存在的实时性较差的问题，本发明的目的在于提供一种高层消防救援无人机防撞预警方法，所采用的技术方案具体如下：

本发明提供了一种高层消防救援无人机防撞预警方法，该方法包括以下步骤：

基于无人机在高层消防救援过程中的初始速度、实时速度以及无人机的尺寸，确定扫描时间间隔；基于所述扫描时间间隔获取无人机在高层消防救援过程中激光雷达历史若干次扫描对应的点云数据以及当前次扫描对应的点云数据；

基于每次扫描时无人机的飞行方向以及对应的点云数据确定每次扫描对应的障碍物参考面；根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量以及无人机与障碍物参考面之间的相对距离，得到当前时刻主方向的预警阈值；

基于每次扫描时无人机与障碍物参考面之间的相对位置的变化情况确定每次扫描时无人机的晃动幅度评价值；根据当前次扫描时无人机的飞行方向下所对应的晃动幅度评价值与其他飞行方向下所对应的晃动幅度评价值之间的差异、所有晃动幅度评价值的波动情况以及所述主方向的预警阈值，得到当前时刻每个次要方向的预警阈值；

基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，判断是否对无人机进行防撞预警。

优选的，所述基于无人机在高层消防救援过程中的初始速度、实时速度以及无人机的尺寸，确定扫描时间间隔，包括：

将无人机的最小外接长方体记为第一最小长方体，将所述第一最小长方体三条边中最长的边记为参考长度；

根据无人机在高层消防救援过程中的初始速度的大小、所述参考长度以及无人机在高层消防救援过程中的初始速度与实时速度的大小之间的差异，得到扫描时间间隔。

优选的，采用如下公式计算扫描时间间隔：

其中，T表示扫描时间间隔，表示无人机的最小外接长方体的长，/>表示无人机的最小外接长方体的宽，/>表示无人机的最小外接长方体的高，/>表示无人机在高层消防救援过程中的初始速度的大小，/>表示无人机在高层消防救援过程中的实时速度的大小，e表示自然常数，/>表示取绝对值符号，/>表示向上取整符号。

优选的，所述基于每次扫描时无人机的飞行方向以及对应的点云数据确定每次扫描对应的障碍物参考面，包括：

对于任意一次扫描：

在障碍物所在的所有垂直于无人机的飞行方向的平面中，选取距离无人机最近的平面作为该次扫描对应的障碍物参考面。

优选的，所述根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量以及无人机与障碍物参考面之间的相对距离，得到当前时刻主方向的预警阈值，包括：

将当前次扫描时无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量与当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量的比值，记为第一数量占比；

获取当前次扫描对应的障碍物参考面上每两个数据点之间的距离，计算所有每两个数据点之间的距离的平均值；

获取当前次扫描时无人机对应的数据点与障碍物参考面之间的最短距离；

根据所述第一数量占比、所述平均值和所述最短距离，获得当前时刻主方向的预警阈值，所述第一数量占比与所述主方向的预警阈值呈正相关关系，所述平均值和所述最短距离均与所述主方向的预警阈值呈负相关关系。

优选的，所述基于每次扫描时无人机与障碍物参考面之间的相对位置的变化情况确定每次扫描时无人机的晃动幅度评价值，包括：

对于任意一次扫描：在三维空间中获取无人机对应的所有数据点构成的最小凸多边体，将所述最小凸多边体在障碍物参考面上的投影的中心点，作为该次扫描对应的参考位置；

对于第m次扫描：将第m次扫描对应的参考位置与第m-1次扫描对应的参考位置之间的差异，作为第m次扫描时无人机的晃动幅度评价值。

优选的，所述根据当前次扫描时无人机的飞行方向下所对应的晃动幅度评价值与其他飞行方向下所对应的晃动幅度评价值之间的差异、所有晃动幅度评价值的波动情况以及所述主方向的预警阈值，得到当前时刻每个次要方向的预警阈值，包括：

计算无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差；

基于无人机在高层消防救援过程的飞行的方向将无人机在高层消防救援过程划分为若干个时间段，其中同一时间段内无人机的飞行方向相同，相邻两个时间段内无人机的飞行方向不同；将当前次扫描所在的时间段内的每次扫描记为第一扫描，将高层消防救援过程中除所有所述第一扫描外的其他扫描记为参考扫描；

根据所有所述第一扫描与所有参考扫描之间的晃动幅度评价值的差异、所述主方向的预警阈值以及所述标准差，获得预警参考值；

分别将每个次要方向对应的预设权值与所述预警参考值的乘积，确定为每个次要方向的预警阈值。

优选的，采用如下公式计算预警参考值：

其中，B表示预警参考值，表示当前时刻主方向的预警阈值，N表示时间段的数量，/>表示第n个时间段内参考扫描的次数，/>表示第n个时间段内第i次参考扫描时无人机的晃动幅度评价值，J表示第一扫描的次数，/>表示第j次第一扫描时无人机的晃动幅度评价值，/>表示无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差，/>为预设调整参数，/>大于0。

优选的，所述基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，判断是否对无人机进行防撞预警，包括：

分别基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，确定主方向对应的预警距离和每个次要方向对应的预警距离；

若主方向对应的预警距离小于主方向预警距离阈值，或存在次要方向对应的预警距离小于次要方向预警距离阈值，则对无人机进行防撞预警；

若主方向对应的预警距离大于或等于主方向预警距离阈值，且所有次要方向对应的预警距离均大于或等于次要方向预警距离阈值，则不对无人机进行防撞预警。

优选的，所述分别基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，确定主方向对应的预警距离和每个次要方向对应的预警距离，包括：

对于任一方向：将该方向的预警阈值与最小安全距离的乘积，作为该方向对应的预警距离。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明考虑到无人机在高层消防救援过程中可能会与障碍物发生碰撞，因此需要对高层消防救援的过程中的无人机进行防撞预警，本发明中无人机在高层消防救援过程中将搭载激光雷达，用于对障碍物进行扫描进而获取障碍物的具体位置，扫描时间间隔设置的不合适会直接影响无人机防撞预警的准确度或实时性，扫描时间间隔设置的过大，会导致部分重要数据信息未被采集到，也即存在重要信息被遗漏的情况，进而降低无人机防撞预警的准确度和可信度；扫描时间间隔设置的过小，会出现数据冗余的情况，数据分析的时间较长，影响无人机防撞预警的实时性。因此本发明首先结合无人机的尺寸和实时飞行速度确定扫描时间间隔，实时调整扫描时间间隔，能够在保证后续预警准确度的同时提高预警效率，进一步地结合不同方向上的特征分别对主方向和次要方向进行了评价，确定了主方向的预警阈值和次要方向的预警阈值，进而判断是否对无人机进行防撞预警，本发明提供的方法在保证高层消防救援过程中无人机预警准确度的同时提高了预警的实时性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它附图。

图1为本发明实施例所提供的一种高层消防救援无人机防撞预警方法的流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种高层消防救援无人机防撞预警方法进行详细说明如下。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种高层消防救援无人机防撞预警方法的具体方案。

一种高层消防救援无人机防撞预警方法实施例：

本实施例所针对的具体场景为：无人机在高层消防救援过程中可能会与障碍物或其他无人机发生碰撞，一旦发生碰撞则可能会导致人员伤亡或设备损坏，因此需要对高层消防救援的过程中的无人机进行防撞预警，以确保飞行安全。本实施例将实时采集无人机飞行过程中的数据，对采集到的数据进行分析，结合无人机的飞行速度和每个方向的特征对无人机飞行过程中不同的方向进行评价，确定每个受影响方向对应的预警距离，进而基于预警距离判断是否需要进行防撞预警。

本实施例提出了一种高层消防救援无人机防撞预警方法，如图1所示，本实施例的一种高层消防救援无人机防撞预警方法包括以下步骤：

步骤S1，基于无人机在高层消防救援过程中的初始速度、实时速度以及无人机的尺寸，确定扫描时间间隔；基于所述扫描时间间隔获取无人机在高层消防救援过程中激光雷达历史若干次扫描对应的点云数据以及当前次扫描对应的点云数据。

本实施例中无人机在高层消防救援的过程中，搭载激光雷达起飞，激光雷达系统通过发射激光束并测量激光束返回的时间来确定障碍物上每个点的具体位置。由于无人机在飞行过程中其搭载的激光雷达需要实时扫描，因此需要设置扫描时间间隔，考虑到若扫描时间间隔设置的不合适会直接影响后续的分析结果，进而影响无人机防撞预警的准确度或实时性，扫描时间间隔设置的过大，会导致部分重要数据信息未被采集到，也即存在重要信息被遗漏的情况，进而降低无人机防撞预警的准确度和可信度；扫描时间间隔设置的过小，会出现数据冗余的情况，数据分析的时长较长，进而影响无人机防撞预警的实时性。基于此，本实施例将结合无人机在高层消防救援过程中的初始速度、实时速度以及无人机的尺寸确定扫描时间间隔，并实时调整扫描时间间隔。具体地，将无人机的最小外接长方体记为第一最小长方体，将所述第一最小长方体三条边中最长的边记为参考长度；根据无人机在高层消防救援过程中的初始速度的大小、所述参考长度以及无人机在高层消防救援过程中的初始速度与实时速度的大小之间的差异，得到扫描时间间隔；扫描时间间隔的具体计算公式为：

其中，T表示扫描时间间隔，表示无人机的最小外接长方体的长，/>表示无人机的最小外接长方体的宽，/>表示无人机的最小外接长方体的高，/>表示无人机在高层消防救援过程中的初始速度的大小，/>表示无人机在高层消防救援过程中的实时速度的大小，e表示自然常数，/>表示取绝对值符号，/>表示向上取整符号。

本实施例在无人机飞行过程中，实时采用上述方法确定扫描时间间隔，进而利用激光雷达进行扫描处理，获得无人机上每个点的位置信息以及障碍物上每个点的位置信息，将无人机上每个点的位置信息以及障碍物上每个点的位置信息转换为对应的三维坐标点，形成点云，最终生成包含无人机以及障碍物的点云数据。需要说明的是，当不存在障碍物时，点云数据中不包含障碍物的点云数据。需要说明的是，通过扫描时间间隔计算公式计算获得的是扫描时间间隔的数值，本实施例中扫描时间间隔以秒为单位。

至此，获得了无人机在高层消防救援过程中激光雷达每次扫描对应的点云数据，本实施例将与当前时刻时间间隔最小的扫描作为当前次扫描，将当前次扫描之前的所有扫描记为历史扫描，也即获得了历史每次扫描对应的点云数据以及当前次扫描对应的点云数据。需要说明的是：若无人机在飞行过程中不存在障碍物，则无需进行预警处理，因此本实施例后续将对存在障碍物时的情况进行分析，若不存在障碍物则无需进行后续处理。

步骤S2，基于每次扫描时无人机的飞行方向以及对应的点云数据确定每次扫描对应的障碍物参考面；根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量以及无人机与障碍物参考面之间的相对距离，得到当前时刻主方向的预警阈值。

无人机的飞行是在立体空间中完成的，无人机在飞行过程中与距离最近的障碍物的表面发生碰撞的可能性较大，因此本实施例将首先基于每次扫描时无人机的飞行方向以及对应的点云数据确定每次扫描对应的障碍物参考面。具体地，对于任意一次扫描：在障碍物所在的所有垂直于无人机的飞行方向的平面中，选取距离无人机最近的平面作为该次扫描对应的障碍物参考面。采用该方法，能够获得每次扫描对应的障碍物参考面，无人机在飞行过程中与障碍物参考面发生碰撞的可能性较大，也即障碍物参考面为碰撞面的概率较大。无人机在障碍物参考面上的投影的面积越大，说明碰撞物的体积可能是越大的，那么在撞击预警时应当给无人机设置更多的反应时间去调整无人机位置，也即需要更早的发出防撞预警，此时预警阈值就更大；反之，无人机在障碍物参考面上的投影的面积越小，无人机在飞行时进行躲避越容易，也即越不容易与障碍物发生碰撞，因此预警阈值相对更小。当前次扫描时无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量占比越小，说明无人机在飞行过程中只要移动较短的距离就能避免与障碍物发生碰撞，那么此时对应的预警阈值应当越小。数据点的数量越多，分布越密集，说明扫描获得的障碍物参考面是越均匀的，并且障碍物表面材质可以更有效的反射激光，因此在进行阈值判定时置信程度越高。同时考虑在无人机飞行过程中，与其飞行方向上的障碍物发生碰撞的概率较大，因此本实施例将无人机的飞行方向记为主方向。接下来本实施例将根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量以及无人机与障碍物参考面之间的相对距离，确定当前时刻主方向的预警阈值。

具体地，将当前次扫描时无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量与当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量的比值，记为第一数量占比。获取当前次扫描对应的障碍物参考面上每两个数据点之间的距离，计算所有每两个数据点之间的距离的平均值。获取当前次扫描时无人机对应的数据点与障碍物参考面之间的最短距离。根据所述第一数量占比、所述平均值和所述最短距离，获得当前时刻主方向的预警阈值，所述第一数量占比与所述主方向的预警阈值呈正相关关系，所述平均值和所述最短距离均与所述主方向的预警阈值呈负相关关系。其中，正相关关系表示因变量会随着自变量的增大而增大，因变量会随着自变量的减小而减小，具体关系可以为相乘关系、相加关系、指数函数的幂等，由实际应用进行确定；负相关关系表示因变量会随着自变量的增大而减小，因变量会随着自变量的减小而增大，可以为相减关系、相除关系等，由实际应用进行确定。作为一个具体实施方式，给出当前时刻主方向的预警阈值的具体计算公式，当前时刻主方向的预警阈值的计算公式为：

其中，表示当前时刻主方向的预警阈值，/>表示初始预警阈值系数，D表示当前次扫描时无人机对应的数据点与障碍物参考面之间的最短距离，/>表示当前次扫描时无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量，/>表示当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量，/>表示所有每两个数据点之间的距离的平均值。

表示第一数量占比，用于反映当前次扫描时无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量占比。初始预警阈值系数实施者根据具体情况进行设置。当所有每两个数据点之间的距离的平均值越小、第一数量占比越大、当前次扫描时无人机对应的数据点与障碍物参考面之间的最短距离越小时，说明无人机在进行避障的过程中避障的难度越大，越应当提前进行预警，也即当前时刻主方向的预警阈值越大。

至此，获得了当前时刻主方向的预警阈值。

步骤S3，基于每次扫描时无人机与障碍物参考面之间的相对位置的变化情况确定每次扫描时无人机的晃动幅度评价值；根据当前次扫描时无人机的飞行方向下所对应的晃动幅度评价值与其他飞行方向下所对应的晃动幅度评价值之间的差异、所有晃动幅度评价值的波动情况以及所述主方向的预警阈值，得到当前时刻每个次要方向的预警阈值。

当空气通过旋转的无人机叶片时，流速增加压强减小，导致在叶片的上方会形成一个低压区域并因此导致一些特殊的气动效应，产生类似于吸力的效果，而无人机叶片的设计不同，有些会设计成尽量使低压区域相对均匀的分布，但总的来说是存在低压区域的，因此在距离障碍物相同距离时无人机上面相较于其他侧面更容易向障碍物靠近，因此敏感性最高，而左右两面如果发生碰撞，高速旋转的叶片大概率是直接与障碍物发生撞击，旋转速度越快，叶片的角动量与动能就越大，在碰撞瞬间旋转的叶片受到碰撞作用会发生角动量的传递，这导致更大的力矩和旋转惯性矩，从而增加破坏性，可能导致无人机出现损毁，因此敏感性次之。综上所述，在确定不同次要方向的预警阈值时，因为敏感性不同，预警阈值也有所差别。无人机在飞行时除了要考虑飞行方向，还要考虑飞行时与上下左右可能产生的碰撞，并且对于飞行方向需要预判是否会发生碰撞的距离更长，而上下左右方向的预判的距离更短。基于此，本实施例已经获得了第一最小长方体，接下来将第一最小长方体的六个面中与无人机的上表面距离最近的面记为第一特征面，将由第一最小长方体的体心指向第一特征面的中心点的方向作为第一次要方向；将第一最小长方体的六个面中与无人机的下表面距离最近的面记为第二特征面，将由第一最小长方体的体心指向第二特征面的中心点的方向作为第二次要方向；将第一最小长方体的六个面中与无人机的左表面距离最近的面记为第三特征面，将由第一最小长方体的体心指向第三特征面的中心点的方向作为第三次要方向，将第一最小长方体的六个面中与无人机的右表面距离最近的面记为第四特征面，将由第一最小长方体的体心指向第四特征面的中心点的方向作为第四次要方向。需要说明的是，无人机在飞行过程中，一般情况下往侧面飞或者往前面飞，因此与其后方的障碍物发生碰撞的概率较小，本实施例不对后方进行判断。本实施例中的次要方向包括第一次要方向、第二次要方向、第三次要方向和第四次要方向。

次要方向的预警阈值与无人机在飞行时的晃动幅度有关，无人机飞行时晃动幅度越明显，那么当四个面存在障碍物时，就越容易与障碍物发生碰撞，此时预警阈值应当越大，也即对于距离就越敏感，需要在相对较远的距离就产生防撞预警；无人机飞行时晃动幅度越小，说明无人机在飞行时处在一个较为稳定的状态，四个面产生碰撞的可能性较小。接下来本实施例将基于每次扫描时无人机与障碍物参考面之间的相对位置的变化情况，对无人机飞行过程中的晃动程度进行评价，获得每次扫描时无人机的晃动幅度评价值。

具体地，对于任意一次扫描：在三维空间中获取无人机对应的所有数据点构成的最小凸多边体，将所述最小凸多边体在障碍物参考面上的投影的中心点，作为该次扫描对应的参考位置。采用该方法，能够获得每次扫描对应的参考位置。对于第m次扫描：将第m次扫描对应的参考位置与第m-1次扫描对应的参考位置之间的差异，作为第m次扫描时无人机的晃动幅度评价值。第m次扫描时无人机的晃动幅度评价值的具体计算公式为：

其中，表示第m次扫描时无人机的晃动幅度评价值，/>表示第m次扫描对应的参考位置的横坐标，/>表示第m次扫描对应的参考位置的纵坐标，/>表示第m次扫描对应的参考位置的竖坐标，/>表示第m-1次扫描对应的参考位置的横坐标，/>表示第m-1次扫描对应的参考位置的纵坐标，/>表示第m-1次扫描对应的参考位置的竖坐标。

需要说明的是，由于第1次扫描为首次扫描，因此在第1次扫描之前不存在扫描，无法采用上述方法计算第1次扫描时无人机的晃动评价值，本实施例将第2次扫描时无人机的晃动评价值作为第1次扫描时无人机的晃动评价值，也即第1次扫描时无人机的晃动评价值与第2次扫描时无人机的晃动评价值相同。采用上述方法，能够获得每次扫描时无人机的晃动幅度评价值。本实施例接下来将根据当前次扫描时无人机的飞行方向下所对应的晃动幅度评价值与其他飞行方向下所对应的晃动幅度评价值之间的差异、所有晃动幅度评价值的波动情况以及所述主方向的预警阈值，确定当前时刻每个次要方向的预警阈值。

具体地，计算无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差；基于无人机在高层消防救援过程的飞行的方向将无人机在高层消防救援过程划分为若干个时间段，其中同一时间段内无人机的飞行方向相同，相邻两个时间段内无人机的飞行方向不同；将当前次扫描所在的时间段内的每次扫描记为第一扫描，将高层消防救援过程中除所有所述第一扫描外的其他扫描记为参考扫描；根据所有所述第一扫描与所有参考扫描之间的晃动幅度评价值的差异、所述主方向的预警阈值以及所述标准差，获得预警参考值。预警参考值的具体计算公式为：

其中，B表示预警参考值，表示当前时刻主方向的预警阈值，N表示时间段的数量，/>表示第n个时间段内参考扫描的次数，/>表示第n个时间段内第i次参考扫描时无人机的晃动幅度评价值，J表示第一扫描的次数，/>表示第j次第一扫描时无人机的晃动幅度评价值，/>表示无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差，/>为预设调整参数，/>大于0。

本实施例在预警参考值的计算公式中引入预设调整参数是为了防止分母为0，本实施例中的预设调整参数为0.01，在具体应用中，实施者可根据具体情况进行设置。

表示所有第一扫描与所有参考扫描之间的晃动幅度评价值的差异；当所有第一扫描与所有参考扫描之间的晃动幅度评价值的差异越小、无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差越小、当前时刻主方向的预警阈值越小时，说明无人机在飞行过程中越容易避障，也即预警参考值越小。

采用上述方法能够获得预警参考值，本实施例接下来分别将每个次要方向对应的预设权值与所述预警参考值的乘积，确定为每个次要方向的预警阈值，也即每个次要方向对应一个预警阈值。本实施例中第一次要方向对应的预设权值为0.3，第三次要方向和第四次要方向对应的预设权值均为0.2，第二次要方向对应的预设权值为0.1，第一次要方向对应的预设权值大于第三次要方向和第四次要方向对应的预设权值，第三次要方向和第四次要方向对应的预设权值大于第二次要方向对应的预设权值，在具体应用中实施者可根据具体情况进行设置。

步骤S4，基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，判断是否对无人机进行防撞预警。

本实施例在步骤S3中已经确定了主方向的预警阈值和每个次要方向的预警阈值，接下来将基于主方向的预警阈值和每个次要方向的预警阈值，判断是否对无人机进行防撞预警处理。

具体地，对于任一方向：将该方向的预警阈值与最小安全距离的乘积，作为该方向对应的预警距离；也即将主方向的预警阈值与最小安全距离的乘积作为了主方向对应的预警距离，将每个次要方向的预警阈值与最小安全距离的乘积作为了每个次要方向对应的预警距离。主方向和每个次要方向均有其对应的预警距离。在具体应用中，实施者需要根据无人机的型号和参数设置最小安全距离。

若主方向对应的预警距离小于主方向预警距离阈值，或存在次要方向对应的预警距离小于次要方向预警距离阈值，则说明无人机发生碰撞的可能性越大，此时对无人机进行防撞预警，进而及时调整无人机的飞行方向和飞行速度的大小，以确保高层消防救援过程中无人机的安全飞行；若主方向对应的预警距离大于或等于主方向预警距离阈值，且所有次要方向对应的预警距离均大于或等于次要方向预警距离阈值，则说明无人机发生碰撞的可能性越小，此时不对无人机进行防撞预警处理。在具体实施中，实施者根据具体情况设置主方向预警距离阈值以及每个次要方向预警距离阈值。

至此，采用本实施例提供的方法，能够对高层消防救援过程中的无人机进行及时预警，以确保飞行安全。

本实施例考虑到无人机在高层消防救援过程中可能会与障碍物发生碰撞，因此需要对高层消防救援的过程中的无人机进行防撞预警，本实施例中无人机在高层消防救援过程中将搭载激光雷达，用于对障碍物进行扫描进而获取障碍物的具体位置，扫描时间间隔设置的不合适会直接影响无人机防撞预警的准确度或实时性，扫描时间间隔设置的过大，会导致部分重要数据信息未被采集到，也即存在重要信息被遗漏的情况，进而降低无人机防撞预警的准确度和可信度；扫描时间间隔设置的过小，会出现数据冗余的情况，数据分析的时间较长，影响无人机防撞预警的实时性。因此本实施例首先结合无人机的尺寸和实时飞行速度确定扫描时间间隔，实时调整扫描时间间隔，能够在保证后续预警准确度的同时提高预警效率，进一步地结合不同方向上的特征分别对主方向和次要方向进行了评价，确定了主方向的预警阈值和次要方向的预警阈值，进而判断是否对无人机进行防撞预警，本实施例提供的方法在保证高层消防救援过程中无人机预警准确度的同时提高了预警的实时性。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

基于无人机在高层消防救援过程中的初始速度、实时速度以及无人机的尺寸，确定扫描时间间隔；基于所述扫描时间间隔获取无人机在高层消防救援过程中激光雷达历史若干次扫描对应的点云数据以及当前次扫描对应的点云数据；

基于每次扫描时无人机的飞行方向以及对应的点云数据确定每次扫描对应的障碍物参考面；根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量以及无人机与障碍物参考面之间的相对距离，得到当前时刻主方向的预警阈值；

基于每次扫描时无人机与障碍物参考面之间的相对位置的变化情况确定每次扫描时无人机的晃动幅度评价值；根据当前次扫描时无人机的飞行方向下所对应的晃动幅度评价值与其他飞行方向下所对应的晃动幅度评价值之间的差异、所有晃动幅度评价值的波动情况以及所述主方向的预警阈值，得到当前时刻每个次要方向的预警阈值；

基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，判断是否对无人机进行防撞预警。

2.根据权利要求1所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述基于无人机在高层消防救援过程中的初始速度、实时速度以及无人机的尺寸，确定扫描时间间隔，包括：

将无人机的最小外接长方体记为第一最小长方体，将所述第一最小长方体三条边中最长的边记为参考长度；

根据无人机在高层消防救援过程中的初始速度的大小、所述参考长度以及无人机在高层消防救援过程中的初始速度与实时速度的大小之间的差异，得到扫描时间间隔。

3.根据权利要求2所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，采用如下公式计算扫描时间间隔：

其中，T表示扫描时间间隔，表示无人机的最小外接长方体的长，/>表示无人机的最小外接长方体的宽，/>表示无人机的最小外接长方体的高，/>表示无人机在高层消防救援过程中的初始速度的大小，/>表示无人机在高层消防救援过程中的实时速度的大小，e表示自然常数，/>表示取绝对值符号，/>表示向上取整符号。

4.根据权利要求1所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述基于每次扫描时无人机的飞行方向以及对应的点云数据确定每次扫描对应的障碍物参考面，包括：

对于任意一次扫描：

在障碍物所在的所有垂直于无人机的飞行方向的平面中，选取距离无人机最近的平面作为该次扫描对应的障碍物参考面。

5.根据权利要求1所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述根据当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量、无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量以及无人机与障碍物参考面之间的相对距离，得到当前时刻主方向的预警阈值，包括：

将当前次扫描时无人机投射到障碍物参考面上数据点的数量与当前次扫描对应的障碍物参考面上数据点的数量的比值，记为第一数量占比；

获取当前次扫描对应的障碍物参考面上每两个数据点之间的距离，计算所有每两个数据点之间的距离的平均值；

获取当前次扫描时无人机对应的数据点与障碍物参考面之间的最短距离；

根据所述第一数量占比、所述平均值和所述最短距离，获得当前时刻主方向的预警阈值，所述第一数量占比与所述主方向的预警阈值呈正相关关系，所述平均值和所述最短距离均与所述主方向的预警阈值呈负相关关系。

6.根据权利要求1所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述基于每次扫描时无人机与障碍物参考面之间的相对位置的变化情况确定每次扫描时无人机的晃动幅度评价值，包括：

对于任意一次扫描：在三维空间中获取无人机对应的所有数据点构成的最小凸多边体，将所述最小凸多边体在障碍物参考面上的投影的中心点，作为该次扫描对应的参考位置；

对于第m次扫描：将第m次扫描对应的参考位置与第m-1次扫描对应的参考位置之间的差异，作为第m次扫描时无人机的晃动幅度评价值。

7.根据权利要求1所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述根据当前次扫描时无人机的飞行方向下所对应的晃动幅度评价值与其他飞行方向下所对应的晃动幅度评价值之间的差异、所有晃动幅度评价值的波动情况以及所述主方向的预警阈值，得到当前时刻每个次要方向的预警阈值，包括：

计算无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差；

基于无人机在高层消防救援过程的飞行的方向将无人机在高层消防救援过程划分为若干个时间段，其中同一时间段内无人机的飞行方向相同，相邻两个时间段内无人机的飞行方向不同；将当前次扫描所在的时间段内的每次扫描记为第一扫描，将高层消防救援过程中除所有所述第一扫描外的其他扫描记为参考扫描；

根据所有所述第一扫描与所有参考扫描之间的晃动幅度评价值的差异、所述主方向的预警阈值以及所述标准差，获得预警参考值；

分别将每个次要方向对应的预设权值与所述预警参考值的乘积，确定为每个次要方向的预警阈值。

8.根据权利要求7所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，采用如下公式计算预警参考值：

其中，B表示预警参考值，表示当前时刻主方向的预警阈值，N表示时间段的数量，/>表示第n个时间段内参考扫描的次数，/>表示第n个时间段内第i次参考扫描时无人机的晃动幅度评价值，J表示第一扫描的次数，/>表示第j次第一扫描时无人机的晃动幅度评价值，表示无人机在高层消防救援过程对应的所有晃动幅度评价值的标准差，/>为预设调整参数，/>大于0。

9.根据权利要求1所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，判断是否对无人机进行防撞预警，包括：

分别基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，确定主方向对应的预警距离和每个次要方向对应的预警距离；

若主方向对应的预警距离小于主方向预警距离阈值，或存在次要方向对应的预警距离小于次要方向预警距离阈值，则对无人机进行防撞预警；

若主方向对应的预警距离大于或等于主方向预警距离阈值，且所有次要方向对应的预警距离均大于或等于次要方向预警距离阈值，则不对无人机进行防撞预警。

10.根据权利要求9所述的一种高层消防救援无人机防撞预警方法，其特征在于，所述分别基于所述主方向的预警阈值和所述每个次要方向的预警阈值，确定主方向对应的预警距离和每个次要方向对应的预警距离，包括：

对于任一方向：将该方向的预警阈值与最小安全距离的乘积，作为该方向对应的预警距离。