一种无人机避障控制方法

摘要

本发明公开了一种无人机避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统，无人机子系统包含嵌入式飞行控制器和无线数据链的机载端，嵌入式飞行控制器内置卫星定位接收机和高度传感器；地面站子系统包含嵌入式监控计算机和无线数据链的地面端，嵌入式监控计算机内置包含障碍物地理信息的电子地图；在地面站子系统的嵌入式监控计算机内置的电子地图上，确定飞行区域中障碍物的地理位置，建立虚拟的障碍物多边形柱体，并将其形体数据下载到嵌入式飞行控制器，嵌入式飞行控制器实时获取无人机的当前位置并计算出与障碍物多边形柱体的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，实现无人机的自动避障。

主权项

一种无人机避障控制方法，设有无人机子系统和地面站子系统，无人机子系统包含嵌入式飞行控制器和无线数据链的机载端，嵌入式飞行控制器内置卫星定位接收机和高度传感器；地面站子系统包含嵌入式监控计算机和无线数据链的地面端，嵌入式监控计算机内置包含障碍物地理信息的电子地图；嵌入式飞行控制器与无线数据链的机载端通过串行总线连接，嵌入式监控计算机与无线数据链的地面端通过串行总线连接，无线数据链的机载端与无线数据链的地面端通过无线射频通道进行数据通信；其特征在于：在地面站子系统的嵌入式监控计算机内置的电子地图上，确定飞行区域中障碍物的地理位置，建立虚拟的障碍物多边形柱体，定义障碍物多边形柱体的内部为禁止飞行区域，障碍物多边形柱体的外部为允许飞行区域；将障碍物多边形柱体的定义数据通过无线数据链的地面端和无线数据链的机载端下载到嵌入式飞行控制器，嵌入式飞行控制器通过内置的卫星定位接收机和高度传感器实时采集无人机当前的经度、纬度和高度，获得无人机的当前位置并计算出与障碍物多边形柱体的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，由此实现无人机的自动避障；包括以下步骤：（1）在嵌入式监控计算机内置的二维电子地图上，确定障碍物的地理位置并沿障碍物的二维地理边界用直线段绘制形成闭合多边形状的障碍物边界轮廓线，所用直线段的数量为N，N≥3；其中：① 对于具有直线边界的障碍物，直接取边界对应的直线段；② 对于具有外凸弧形边界的障碍物，在弧形边界上选取包含弧形边界起始和结束端点在内的多个特征点，点数及位置由地面操作者根据弧形的弧度大小选取，点数≥3，位置均匀分布，且随弧度增大，点数增多；沿各特征点作弧形的切线，相邻两条切线相交形成交点，由所有交点和两侧端点得到多条与凸弧形相切的直线段；③ 对于具有内凹弧形边界的障碍物，在弧形边界上选取包含弧形边界起始和结束端点在内的多个特征点，点数及位置由地面操作者根据弧形的弧度大小选取，点数≥3，位置均匀分布，且弧度越大，点数越多；连接相邻两个特征点形成若干条直线段；④ 上述①至③中所有直线段共同围成的多边形将包围障碍物的俯视外形，即形成闭合多边形状的边界轮廓线；（2）将边界轮廓线的每条边向障碍物外侧平移安全距离Di，形成闭合的避障边界线， Di>0；避障边界线上相邻两条直线段的交点为顶点，顶点Vi的信息包含该点的经度和纬度，i=1~N；（3）在嵌入式监控计算机内置的三维地图上，将避障边界线竖直向上拉升高度H，H=障碍物相对其基准面的高度+安全高度DH，DH>0，由此形成虚拟的障碍物多边形柱体S，S由数据H, Vi; i=1~N定义，障碍物多边形柱体S包含N个竖直侧面和一个水平顶面，基准面为障碍物所处位置的地面；（4）通过嵌入式监控计算机、无线数据链的地面端和无线数据链的机载端，将障碍物多边形柱体S的定义数据下载到嵌入式飞行控制器；（5）在无人机飞行过程中，嵌入式飞行控制器通过内置的卫星定位接收机和高度传感器实时、连续地采集无人机当前的经度、纬度和高度，获得无人机当前位置P并计算无人机当前位置P与障碍物多边形柱体S的空间关系，然后生成无人机的轨迹指令，实现无人机的自动避障，具体方法如下：① 若无人机当前位置P位于障碍物多边形柱体S的外部，则保持无人机当前的飞行状态；② 若无人机当前位置P位于障碍物多边形柱体S的边界面上，则生成通过P点且指向P点所在边界面外侧的法线向量，并将该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；③ 若无人机当前位置P位于障碍物多边形柱体S的内部，则生成通过P点且指向距P点最近边界面的法线向量，并以该法线向量作为无人机的避障轨迹指令；④ 若无人机当前位置P位于障碍物多边形柱体S的内部或边界面上时，嵌入式飞行控制器通过无线数据链的机载端向地面站系统发送报警信息。