CN118151668B - 基于电子围栏区域的飞行器控制方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法、装置、设备及介质，包括建立东北天坐标系，进行坐标转换，得到飞行器位置和航点坐标；采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的电子围栏区域进行点规范化处理，判断飞行器位置与电子围栏区域之间距离是否满足预设飞行安全控制距离，若满足，判断航点坐标是否处于电子围栏区域内，若处于，采用过航点法得到未处于电子围栏区域的下一个航点坐标，将下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，直接将航点坐标作为目标航点坐标；确定飞行器绕边航向；基于目标航点坐标、飞行器位置及边界航向进行飞行航向控制，控制飞行器绕过禁飞区飞行，保证禁飞区安全，降低飞行器控制的硬件设备要求。

Description

基于电子围栏区域的飞行器控制方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及飞行器电子围栏设计技术领域，特别涉及一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法、装置、设备及介质。

背景技术

目前，对于飞机电子围栏的研究是一个较新的领域，大多数飞行器控制的研究基本采用以下两种方法，一是预先规划出一条合适的无人机飞行航迹，从而使无人机按照该航迹飞行来规避掉禁飞区，或者通过增加航点数来避免飞机进入禁飞区，此方法较为复杂，对于计算量要求较高，实时性较差，且要求较高的硬件设备；二是将禁飞区视为障碍物的方法，采用反向飞行，避免进入禁飞区，但此方法直接使飞机返航，处置过于简单，会使得飞机不能执行后续不影响飞行安全的任务，并且对限制区飞行时控制转换逻辑较困难。

由上可见，如何控制飞行器绕过禁飞区飞行，从而保证禁飞区的安全，降低飞行器控制的硬件设备要求，实现对飞行器的有效合理控制是本领域有待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法、装置、设备及介质，能够控制飞行器绕过禁飞区飞行，从而保证禁飞区的安全，降低飞行器控制的硬件设备要求，实现对飞行器的有效合理控制。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法，包括：

获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；

采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；

若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。

可选的，所述以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标，包括：

获取所述电子围栏区域的经纬度中心点坐标，并将所述经纬度中心点坐标作为坐标原点，基于所述坐标原点建立所述东北天坐标系；

通过预设的坐标转换公式并利用所述东北天坐标系对所述电子围栏区域的电子围栏边界点经纬度进行坐标转换，然后对所述当前位置及所述航点经纬度进行坐标转换，以得到所述飞行器位置和所述航点坐标。

可选的，所述坐标转换公式为：

；

其中，为计算纬度，为计算经度，为坐标原点参考纬度，为坐标原点参考经度，为在所述东北天坐标系下的x坐标值，为在所述东北天坐标系下的y坐标值。

可选的，所述采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，包括：

将外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域的坐标点输入至所述神经网络的输入层；

利用所述神经网络的隐藏层对所述坐标点进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点；

通过所述神经网络的输出层输出外拓后的所述规范化电子围栏点。

可选的，所述将外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域的坐标点输入至所述神经网络的输入层之前，还包括：

利用样本输入数据并采用反向传播算法对初始神经网络的权重进行训练，以得到所述神经网络；

判断所述神经网络是否符合训练终止条件；

若所述神经网络符合训练终止条件，则终止对所述神经网络的训练流程，若所述神经网络不符合训练终止条件，则进行迭代训练，直至所述神经网络符合所述训练终止条件。

可选的，所述根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，包括：

采用排序法并根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离。

可选的，所述若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，包括：

若航点坐标处于电子围栏区域内，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到下一个航点坐标，判断所述下一个航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，若所述下一个航点坐标未处于所述电子围栏区域内，则将未处于所述电子围栏区域的所述下一个航点坐标作为目标航点坐标；

若所述航点坐标未处于所述电子围栏区域内，直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

采用绕边法及过航点法，并根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定飞行器的飞行器绕边航向；所述飞行器绕边航向包括绕电子围栏向航点顺时针飞行或逆时针飞行。

第二方面，本申请公开了一种基于电子围栏区域的飞行器控制装置，包括：

坐标系建立模块，用于获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；

神经网络点规范化模块，用于采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；

目标航点坐标确定模块，用于若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

飞行航向控制模块，用于根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。

第三方面，本申请公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法。

第四方面，本申请公开了一种计算机存储介质，用于保存计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的基于电子围栏区域的飞行器控制方法的步骤。

可见，本申请提供了一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法，包括获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。本申请基于电子围栏区域建立东北天坐标系，能够有效减小由于随意选择坐标原点而导致地球曲率使坐标失真的影响，然后采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的电子围栏区域进行点规范化处理，能够减小计算量，且适用于实时性计算，并且保证电子围栏点在区间内对称分布，通过判断航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，从而确定出飞行器的飞行器绕边航向，以便基于飞行器绕边航向对飞行器进行飞行航向控制，保证飞行器在自主或人工情况下均不能飞入禁飞区区域或飞出设定的安全区域，实现对飞行器的有效合理控制。

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，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法流程图；

图2为本申请公开的一种电子围栏禁飞区区域示例图；

图3为本申请公开的一种神经网络训练具体流程图；

图4为本申请公开的一种电子围栏点对称分布处理后区域竖向划分图；

图5为本申请公开的一种神经网络结构图；

图6为本申请公开的一种神经元权重由反向传播梯度计算法确定结构图；

图7为本申请公开的一种规范化后的电子围栏区域示例图；

图8为本申请公开的一种给定电子围栏区域及外拓电子围栏区域示例图；

图9为本申请公开的一种给定电子围栏区域及外拓电子围栏部分区域的详细说明图；

图10为本申请公开的一种电子围栏控制器与原模态控制器切换逻辑框图；

图11为本申请公开的一种飞机与目标航点位置关系图；

图12为本申请公开的一种电子围栏控制器示例图；

图13为本申请公开的一种采用基于神经网络的电子围栏控制下飞机航迹图；

图14为本申请公开的一种基于电子围栏区域的飞行器控制装置结构示意图；

图15为本申请提供的一种电子设备结构图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，对于飞机电子围栏的研究是一个较新的领域，大多数飞行器控制的研究基本采用以下两种方法，一是预先规划出一条合适的无人机飞行航迹，从而使无人机按照该航迹飞行来规避掉禁飞区，或者通过增加航点数来避免飞机进入禁飞区，此方法较为复杂，对于计算量要求较高，实时性较差，且要求较高的硬件设备；二是将禁飞区视为障碍物的方法，采用反向飞行，避免进入禁飞区，但此方法直接使飞机返航，处置过于简单，会使得飞机不能执行后续不影响飞行安全的任务，并且对限制区飞行时控制转换逻辑较困难。由上可见，如何控制飞行器绕过禁飞区飞行，从而保证禁飞区的安全，降低飞行器控制的硬件设备要求，实现对飞行器的有效合理控制是本领域有待解决的问题。

参见图1所示，本发明实施例公开了一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法，具体可以包括：

步骤S11：获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标。

本实施例中，获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并获取所述电子围栏区域的经纬度中心点坐标，并将所述经纬度中心点坐标作为坐标原点，基于所述坐标原点建立所述东北天坐标系；通过预设的坐标转换公式并利用所述东北天坐标系对所述电子围栏区域的电子围栏边界点经纬度进行坐标转换，然后对所述当前位置及所述航点经纬度进行坐标转换，以得到所述飞行器位置和所述航点坐标。

其中，所述坐标转换公式为：

；

为计算纬度，为计算经度，为坐标原点参考纬度，为坐标原点参考经度，为在所述东北天坐标系下的x坐标值，为在所述东北天坐标系下的y坐标值。

本申请可以根据给定的电子围栏区域点顺时针给定或者逆时针给定判断此区域是禁飞区还是限制区。本专利以禁飞区为例进行说明，以某一边境作为电子围栏禁飞区域为例，在区域边界顺时针取点，同时考虑挂载武器射程和飞机盘旋半径，在卫星地图上沿边界线给出如图2所示的电子围栏禁飞区，保证外贸飞机不能进入国内。根据设定的电子围栏区域，取其经纬度中点作为坐标原点，构建东北天坐标系。其中，东北天坐标系，单位为m，原点为电子围栏区域中心，即，x轴指向地面东向，y轴指向地面北向，z轴按右手定则确定，z轴铅垂向上，为电子围栏区域最大、最小经度，为电子围栏区域最大、最小纬度。

电子围栏区域的电子围栏边界点经纬度如表1所示：

表1

得出经纬度中心点坐标为（28.5965972,103.9766138），将其作为东北天坐标系原点，根据坐标转换公式进行坐标转换。根据坐标转换公式：

；

将表1电子围栏边界点经纬度进行坐标转换，得到表2所示的电子围栏边界点经纬度在东北天坐标系下的坐标：

表2

同时由飞机上的组合导航系统得到的飞机的当前位置是以经纬度提供，因此采用坐标转换公式，可以求得飞机的当前位置在该坐标系下坐标。

步骤S12：采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内。

本实施例中，神经网络训练具体流程图如图3所示，利用样本输入数据并采用反向传播算法对初始神经网络的权重进行训练，以得到所述神经网络，判断所述神经网络是否符合训练终止条件，若所述神经网络符合训练终止条件，则终止对所述神经网络的训练流程，若所述神经网络不符合训练终止条件，则进行迭代训练，直至所述神经网络符合所述训练终止条件，然后将外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域的坐标点输入至所述神经网络的输入层，利用所述神经网络的隐藏层对所述坐标点进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，通过所述神经网络的输出层输出外拓后的所述规范化电子围栏点，采用排序法并根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离满足所述预设飞行安全控制距离，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内。

具体的，本申请以电子围栏区域的中心为原点，构建东北天坐标系，对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，得到飞行器位置和航点坐标，采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，保证规范化电子围栏点在区间内对称分布，从而使得电子围栏区域可以划分成多个垂直的竖向区域，电子围栏点对称分布处理后区域竖向划分如图4所示。

本发明采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的电子围栏区域进行点的规范化处理，如图5所示，其中输入层以给定的电子围栏边界N个坐标点（x,y）为基础，选择x方向的最小值或最大值所在点做水平线，分割电子围栏区域为上下平面，同时在原有点的基础上插点，插入的点用以保证上下平面点的x值一一对应，y值通过相邻两点y值取平均值获得，公式如下：

；

其中，分别为相邻两点的y值，y为相邻两点间插入点的y值。

将上述2*N个坐标点作为输入，神经网络输入层坐标如表3所示：

表3

其中，表3中对应N表示和原N点上下对称。本用例中隐藏层采用12层；输出层输出2*N个规范化的电子围栏边界坐标点（具有上下对称的特征）、电子围栏边界相邻两点的斜率及航向。在进行神经网络训练时，采用给定的电子围栏点和插入点以及直接计算的规范化后电子围栏点、斜率和航向作为样本输入，同时保证样本预测值（即规范化后的电子围栏点、斜率和航向）与样本值神经网络输出的损失函数值最小，公式如下：

；

其中，error表示损失函数，kk1，kk2分别表示电子围栏点坐标、航向计算损失函数的权重，表示样本预测值的规范化后的电子围栏点坐标，表示样本预测值的规范化后的电子围栏两点斜率，表示样本预测值的规范化后的电子围栏相邻两点顺时针航向，表示训练时神经网络输出的规范化的电子围栏点坐标，表示训练时神经网络输出的电子围栏两点斜率，表示训练时神经网络输出的电子围栏相邻两点顺时针航向。

此外，在训练神经网络权重时，采用BP（Back-Propagation，反向传播）算法，在正向传播过程，输入信息通过输入层经隐藏层，逐层处理并传给输出层，取样本值神经网络输出值与样本预测输出值的误差的平方和作为损失函数。

将正向传播的损失函数传入反向传播过程，逐层求出损失函数对各个神经元权重的偏导数，作为目标函数对权重的梯度，如图6所示。根据计算出的梯度，采用梯度下降法进行修改权重，公式如下：

；

当损失函数小于设定值（一般小于10^-6）后，认为训练完成，从而得到规范化电子围栏点的神经网络。

其中，为4至6神经元原权重，为5至6神经元原权重，为采用反向传播梯度计算后更新的权重，为神经网络学习率，一般设置为0.0001~0.001，表示累加函数与取符号函数的组合，即：，本发明中因隐藏层为10层，i表示1~10。取符号函数，公式如下：

；

将所述电子围栏边界N个坐标点（x，y）和上下对称的插点作为输入，如表3所示。所述规范化后的电子围栏坐标点、两坐标点的斜率、航向可以用如下表示：

；

其中，f表示由神经网络得到的函数，x，y表示给定的电子围栏点东北天坐标，表示经神经网络处理后得到的电子围栏规范化点坐标，表示电子围栏规范化后两点间的斜率，azimuth1表示电子围栏规范化后两点间的顺时针航向，azimuth2表示电子围栏规范化后两点间的逆时针航向，且azimuth2=azimuth1+ 180°。

将表3中电子围栏的点及插入点输入到神经网络，从而得到规范化后的电子围栏以及斜率和航向等信息，规范化的电子围栏坐标点如表4所示，规范化后的电子围栏两坐标点的斜率、顺时针航向如表5所示：

表4

表5

其中，对应N与M表示电子围栏边新增的对应N点与M点的连线的斜率及航向特征，进行规范化处理的电子围栏区域如图7所示，经过神经网络规范化后，可以得到上下对称的电子围栏坐标点，同时根据对称坐标点可以将电子围栏区域分成个竖向区域（N为给定电子围栏坐标点数量）。

本实施例中，为了判断飞行器位置以及航点坐标是否在电子围栏区域内，可采取排序法。当采用排序法，则按照竖向区域进行判断飞行器位置或航点坐标是否在电子围栏区域内。

若飞行器位置或航点坐标为，当其不满足公式时，飞行器位置或航点坐标不在电子围栏区域内（即电子围栏区域内部），否则，进行后续判断；其中，表示电子围栏区域x方向最小、最大值，电子围栏区域y方向最小、最大值。

按照排序法，判断位于图7的第i个竖向区域，同时将代入该竖向区间对应的上下边界线，公式如下：

；

当位于上下边界线内时，飞行器位置或航点坐标处于电子围栏区域内部，否则，处于外部。

为了在飞机飞行时具有足够的控制裕度，当飞机进入电子围栏外拓总区域宽度的千分之四（本用例中约为20km，作为预设飞行安全控制距离）的新电子围栏区域时，电子围栏功能启动；当飞机远离电子围栏外拓总区域宽度的百分之一（本用例中约为50km，作为退出电子围栏的预设飞行安全控制距离）的新电子围栏区域时，退出电子围栏功能，给定电子围栏区域及外拓电子围栏区域如图8所示，给定电子围栏区域及外拓电子围栏部分区域的详细说明如图9所示。

当飞行器处于电子围栏外拓20km的新的电子围栏区域内（即处于外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域内）时，将电子围栏功能启动。采用绕边法与过航点法飞行，当电子围栏功能启动时，用上述排序法计算此时航点坐标是否在电子围栏区域内部，若是，则采取刷新航点坐标的方式，以得到下一个航点坐标；之后重新计算下一个航点坐标是否在电子围栏区域。当下一个航点坐标不在电子围栏区域内时，电子围栏控制器以飞行器靠近的电子围栏边的方向与边界线距离成反比的航迹角增量和为目标航向，计算电子围栏控制器横向控制指令，同时将该横向控制指令与原模态控制器控制指令进行对比取小值（其中，顺时针飞行指令为正值，逆时针飞行指令为负值），如图10所示。当距电子围栏边界的距离大于50km后（利用外拓50km的电子围栏区域判断飞机位置是否在此区间），电子围栏功能关闭，恢复原飞行方式。

步骤S13：若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标。

其中，飞行器绕边航向的确定分为以下两种情况：

（1）若航点坐标处于电子围栏区域内，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到下一个航点坐标，判断所述下一个航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，若所述下一个航点坐标未处于所述电子围栏区域内，则将未处于所述电子围栏区域的所述下一个航点坐标作为目标航点坐标；

（2）若所述航点坐标未处于所述电子围栏区域内，直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标。

步骤S14：根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。

基于给定的竖向划分后的所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标判断绕电子围栏边界飞行为顺时针或逆时针飞行，绕边时根据当前飞机x坐标与电子围栏点的竖向区域坐标来判断是否需要变更目标航向，绕电子围栏下一条边飞行。如图11所示，当且或且或且，则为顺时针飞行，且以该电子围栏边的方向加与边界线距离成反比的航迹角增量的和作为航向；

当且或且或且，则为逆时针飞行，且以该电子围栏边的方向加与边界线距离成反比的航迹角增量的和作为航向。其中，、为目标航点坐标，、为飞机位置坐标。

本实施例中，设计飞行器与电子围栏相对位置判别算法，判断所述飞行器位置是否处于所述电子围栏区域内（根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离；其中，所述预设飞行安全控制距离为将原电子围栏区域外拓的距离），即判断飞行器位置是否在电子围栏区域内部以及当设定航线与电子围栏区域有交点，从而根据所述飞行器的航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，以便后续采用本专利设计的控制器并基于目标航点坐标、飞行器位置以及飞行器最靠近的电子围栏区域的边界航向对飞行器进行飞行航向控制。

电子围栏控制器框图如图12所示，将目标航向（根据飞机当前最接近的电子围栏边的航向值以及距离电子围栏边界的距离确定）与实时航迹角之差作为输入，通过PI（线性）控制器和指令限幅及其速率限幅，得到自动控制指令，从而使得飞行器不能穿过电子围栏边界。电子围栏控制器对于PID（Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分）参数的选取：由于飞机在空中飞行时存在紊流、航迹角测量准确性等扰动的影响，因此在实际控制器设计中，一般将微分器中的KD（微分调节系数）置为0，该支路取消，防止由于测量波动而导致指令剧烈波动；根据稳定裕度及经验计算，电子围栏控制器的KP（比例增益）可以设置为2~10，KI（积分器增益）可设置为0.1~0.5。

采用基于神经网络的电子围栏控制下飞机航迹如图13所示。当飞行器位置与给定后的所述电子围栏区域之间的距离满足预设飞行安全控制距离时，电子围栏功能启动，由于目标航点3在电子围栏区域内，会通过刷新点方式取下一个航点坐标；当下一个航点坐标不在电子围栏区域内，且飞行器位置与下一个航点坐标的连线与电子围栏区域有交点时，电子围栏控制器会使飞机绕靠近电子围栏边界飞行至下一个航点坐标，如图13中航点2至航点4的飞行轨迹。

本实施例中，获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。本申请基于电子围栏区域建立东北天坐标系，能够有效减小由于随意选择坐标原点而导致地球曲率使坐标失真的影响，然后采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的电子围栏区域进行点规范化处理，能够减小计算量，且适用于实时性计算，并且保证电子围栏点在区间内对称分布，通过判断航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，从而确定出飞行器的飞行器绕边航向，以便基于飞行器绕边航向对飞行器进行飞行航向控制，保证飞行器在自主或人工情况下均不能飞入禁飞区区域或飞出设定的安全区域，实现对飞行器的有效合理控制。

参见图14所示，本发明实施例公开了一种基于电子围栏区域的飞行器控制装置，具体可以包括：

坐标系建立模块11，用于获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；

神经网络点规范化模块12，用于采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；

目标航点坐标确定模块13，用于若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

飞行航向控制模块14，用于根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。

本实施例中，获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。本申请基于电子围栏区域建立东北天坐标系，能够有效减小由于随意选择坐标原点而导致地球曲率使坐标失真的影响，然后采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的电子围栏区域进行点规范化处理，能够减小计算量，且适用于实时性计算，并且保证电子围栏点在区间内对称分布，通过判断航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，从而确定出飞行器的飞行器绕边航向，以便基于飞行器绕边航向对飞行器进行飞行航向控制，保证飞行器在自主或人工情况下均不能飞入禁飞区区域或飞出设定的安全区域，实现对飞行器的有效合理控制。

在一些具体实施例中，所述坐标系建立模块11，具体可以包括：

坐标系建立模块，用于获取所述电子围栏区域的经纬度中心点坐标，并将所述经纬度中心点坐标作为坐标原点，基于所述坐标原点建立所述东北天坐标系；

坐标转换模块，用于通过预设的坐标转换公式并利用所述东北天坐标系对所述电子围栏区域的电子围栏边界点经纬度进行坐标转换，然后对所述当前位置及所述航点经纬度进行坐标转换，以得到所述飞行器位置和所述航点坐标。

在一些具体实施例中，所述坐标转换公式为：

；

其中，为计算纬度，为计算经度，为坐标原点参考纬度，为坐标原点参考经度，为在所述东北天坐标系下的x坐标值，为在所述东北天坐标系下的y坐标值。

在一些具体实施例中，所述神经网络点规范化模块12，具体可以包括：

坐标点输入模块，用于将外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域的坐标点输入至所述神经网络的输入层；

点规范化处理模块，用于利用所述神经网络的隐藏层对所述坐标点进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点；

输出模块，用于通过所述神经网络的输出层输出外拓后的所述规范化电子围栏点。

在一些具体实施例中，所述神经网络点规范化模块12，具体可以包括：

权重训练模块，用于利用样本输入数据并采用反向传播算法对初始神经网络的权重进行训练，以得到所述神经网络；

训练终止条件判断模块，用于判断所述神经网络是否符合训练终止条件；

迭代训练模块，用于若所述神经网络符合训练终止条件，则终止对所述神经网络的训练流程，若所述神经网络不符合训练终止条件，则进行迭代训练，直至所述神经网络符合所述训练终止条件。

在一些具体实施例中，所述神经网络点规范化模块12，具体可以包括：

距离判断模块，用于采用排序法并根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离。

在一些具体实施例中，所述目标航点坐标确定模块13，具体可以包括：

第一目标航点坐标确定模块，用于若航点坐标处于电子围栏区域内，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到下一个航点坐标，判断所述下一个航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，若所述下一个航点坐标未处于所述电子围栏区域内，则将未处于所述电子围栏区域的所述下一个航点坐标作为目标航点坐标；

第二目标航点坐标确定模块，用于若所述航点坐标未处于所述电子围栏区域内，直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标。

在一些具体实施例中，所述飞行航向控制模块14，具体可以包括：

飞行器绕边航向确定模块，用于采用绕边法及过航点法，并根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定飞行器的飞行器绕边航向；所述飞行器绕边航向包括绕电子围栏向航点顺时针飞行或逆时针飞行。

图15为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。该电子设备20，具体可以包括：至少一个处理器21、至少一个存储器22、电源23、通信接口24、输入输出接口25和通信总线26。其中，所述存储器22用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器21加载并执行，以实现前述任一实施例公开的由电子设备执行的基于电子围栏区域的飞行器控制方法中的相关步骤。

本实施例中，电源23用于为电子设备20上的各硬件设备提供工作电压；通信接口24能够为电子设备20创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本申请技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口25，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。

另外，存储器22作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源包括操作系统221、计算机程序222及数据223等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。

其中，操作系统221用于管理与控制电子设备20上的各硬件设备以及计算机程序222，以实现处理器21对存储器22中数据223的运算与处理，其可以是Windows、Unix、Linux等。计算机程序222除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的由电子设备20执行的基于电子围栏区域的飞行器控制方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。数据223除了可以包括基于电子围栏区域的飞行器控制设备接收到的由外部设备传输进来的数据，也可以包括由自身输入输出接口25采集到的数据等。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

进一步的，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载并执行时，实现前述任一实施例公开的基于电子围栏区域的飞行器控制方法步骤。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，包括：

获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；

采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；

若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。

2.根据权利要求1所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，所述以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标，包括：

获取所述电子围栏区域的经纬度中心点坐标，并将所述经纬度中心点坐标作为坐标原点，基于所述坐标原点建立所述东北天坐标系；

通过预设的坐标转换公式并利用所述东北天坐标系对所述电子围栏区域的电子围栏边界点经纬度进行坐标转换，然后对所述当前位置及所述航点经纬度进行坐标转换，以得到所述飞行器位置和所述航点坐标。

3.根据权利要求2所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，所述坐标转换公式为：

；

其中，为计算纬度，为计算经度，为坐标原点参考纬度，为坐标原点参考经度，为在所述东北天坐标系下的x坐标值，为在所述东北天坐标系下的y坐标值。

4.根据权利要求1所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，所述采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，包括：

将外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域的坐标点输入至所述神经网络的输入层；

利用所述神经网络的隐藏层对所述坐标点进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点；

通过所述神经网络的输出层输出外拓后的所述规范化电子围栏点。

5.根据权利要求4所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，所述将外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域的坐标点输入至所述神经网络的输入层之前，还包括：

利用样本输入数据并采用反向传播算法对初始神经网络的权重进行训练，以得到所述神经网络；

判断所述神经网络是否符合训练终止条件；

若所述神经网络符合训练终止条件，则终止对所述神经网络的训练流程，若所述神经网络不符合训练终止条件，则进行迭代训练，直至所述神经网络符合所述训练终止条件。

6.根据权利要求1所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，所述根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，包括：

采用排序法并根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法，其特征在于，所述若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，包括：

若航点坐标处于电子围栏区域内，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到下一个航点坐标，判断所述下一个航点坐标是否处于所述电子围栏区域内，若所述下一个航点坐标未处于所述电子围栏区域内，则将未处于所述电子围栏区域的所述下一个航点坐标作为目标航点坐标；

若所述航点坐标未处于所述电子围栏区域内，直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

采用绕边法及过航点法，并根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定飞行器的飞行器绕边航向；所述飞行器绕边航向包括绕电子围栏向航点顺时针飞行或逆时针飞行。

8.一种基于电子围栏区域的飞行器控制装置，其特征在于，包括：

坐标系建立模块，用于获取飞行器禁飞的电子围栏区域，并以所述电子围栏区域的中心为原点建立东北天坐标系，利用所述东北天坐标系对当前位置及航点经纬度进行坐标转换，以得到飞行器位置和航点坐标；

神经网络点规范化模块，用于采用神经网络对外拓的预设飞行安全控制距离后的所述电子围栏区域进行点规范化处理，以得到外拓后的规范化电子围栏点，根据所述飞行器位置和外拓后的所述规范化电子围栏点判断所述飞行器位置与所述电子围栏区域之间的距离是否满足所述预设飞行安全控制距离，若满足，则判断所述航点坐标是否处于所述电子围栏区域内；

目标航点坐标确定模块，用于若处于，则采用过航点法刷新所述航点坐标，以得到未处于所述电子围栏区域的下一个航点坐标，将所述下一个航点坐标作为目标航点坐标，若未处于，则直接将所述航点坐标作为所述目标航点坐标；

飞行航向控制模块，用于根据所述电子围栏区域的边界航向和所述目标航点坐标确定所述飞行器的飞行器绕边航向，采用控制器并基于所述目标航点坐标、所述飞行器位置以及所述边界航向对所述飞行器进行飞行航向控制。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的基于电子围栏区域的飞行器控制方法。