本發(fā)明涉及低空域無人機(jī)，具體涉及一種基于低空域無人機(jī)的沖突避免系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，越來越多的小型固定翼或者旋翼無人機(jī)被應(yīng)用到我們的日常生活中。我們可以用這些小型無人機(jī)來搭載攝像機(jī)在空中拍攝圖像、勘測地形以及用作植保機(jī)來向農(nóng)作物噴灑農(nóng)藥等等。但是這樣會導(dǎo)致低空域中出現(xiàn)大量的無人機(jī)，這樣在飛行過程中，無人機(jī)與無人機(jī)之間可能會發(fā)生碰撞，造成安全事故。因此，當(dāng)無人機(jī)在低空域飛行做任務(wù)時，如何避免無人機(jī)與無人機(jī)之間發(fā)生沖突、防止發(fā)生碰撞，便變得越來越重要。傳統(tǒng)的無人機(jī)沖突避免方法不僅效率低下，而且常常會由于無人機(jī)的操控人員無法及時反應(yīng)和判斷無人機(jī)可能會發(fā)生沖突，造成無人機(jī)之間發(fā)生碰撞，發(fā)生安全事故。

目前，低空域的無人機(jī)沖突避免方法主要還是無人機(jī)的操作人員通過人眼直接觀察天空中的無人機(jī)或者通過地面站觀察無人機(jī)之間是否有碰撞趨勢，然后及時的操控?zé)o人機(jī)，改變無人機(jī)的飛行速度或者方向，從避免發(fā)生沖突。但這種方式不可避免地存在由于操控員的視角偏差或者無人機(jī)飛行速度太快，操控員來不及反應(yīng)等原因，無法準(zhǔn)確及時的操作無人機(jī)，造成無人機(jī)之間發(fā)生碰撞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種新的低空域無人機(jī)沖突避免方法，大大地提高低空域中無人機(jī)飛行的安全性以及可靠性，且該無人機(jī)沖突避免方法簡單有效，在無人機(jī)監(jiān)管行業(yè)中將有廣泛的應(yīng)用前景。

為達(dá)到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明還公開一種低空域的無人機(jī)沖突避免系統(tǒng)，包括有設(shè)置在各無人機(jī)內(nèi)的飛行數(shù)據(jù)記錄模塊和無線數(shù)傳模塊、與無人機(jī)通過無線數(shù)傳模塊交換數(shù)據(jù)的地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)；所述飛行數(shù)據(jù)記錄模塊包括有用以接受通信衛(wèi)星的gps定位信息的gps模塊和記錄無人機(jī)飛行速度的加速度傳感器；所述地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)包括有數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器；所述數(shù)據(jù)采集服務(wù)器用于存儲接收到的各無人機(jī)位置和速度信息；所述數(shù)據(jù)分析服務(wù)器用于分析數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的無人機(jī)位置和速度信息，以計(jì)算各無人機(jī)的飛行軌跡曲線。

進(jìn)一步，所述飛行數(shù)據(jù)記錄模塊還包括有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其用以將采集的無人機(jī)在84坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)和無人機(jī)相對大地速度的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與無人機(jī)的無線數(shù)傳模塊通信連接。

本發(fā)明公開一種低空域的無人機(jī)沖突避免方法，包括步驟如下：

步驟s1,通過飛行數(shù)據(jù)記錄模塊采集無人機(jī)飛行信息，通過無線數(shù)傳模塊將無人機(jī)的飛行信息相關(guān)數(shù)據(jù)到地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)，以計(jì)算無人機(jī)的飛行軌跡；

步驟s2，地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)采用沖突避免算法進(jìn)行無人機(jī)飛行信息數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時告知無人機(jī)操控員無人機(jī)的狀態(tài)信息。

所述步驟s1具體包括如下步驟：

步驟s11：獲得wgs-84坐標(biāo)系下的無人機(jī)的三維坐標(biāo)；

步驟s12：采用7參數(shù)變換法獲得bj-54坐標(biāo)系下的無人機(jī)的三維空間直角坐標(biāo)；

步驟s13：通過飛行數(shù)據(jù)記錄模塊測得無人機(jī)的對地速度；

步驟s14：通過該飛行數(shù)據(jù)記錄塊上的ad轉(zhuǎn)換模塊將無人機(jī)的位置信息以及速度信息的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；

步驟s15：通過無線數(shù)傳模塊實(shí)施無人機(jī)以及地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)時通信，將飛行數(shù)據(jù)記錄模塊獲得的無人機(jī)的位置信息以及速度信息及時的傳回地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行存儲。

所述步驟s2具體包括如下步驟：

步驟s21：地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器采用沖突避免算法，將離散坐標(biāo)點(diǎn)擬合成無人機(jī)的飛行軌跡曲線；

步驟s22：對于任意兩架無人機(jī)的飛行軌跡曲線求出兩條軌跡曲線的最近距離，并判斷是否小于安全距離；

步驟s23：通過gprs的通信方式，將地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器的沖突避免算法運(yùn)行結(jié)果發(fā)送給無人機(jī)的操控手；

步驟s24：下一時刻在地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器上舍去無人機(jī)飛行的最末尾的離散坐標(biāo)點(diǎn)，添加新的離散坐標(biāo)點(diǎn)采用三次樣條曲線擬合算法重新擬合無人機(jī)的飛行軌跡曲線，再循環(huán)執(zhí)行上述步驟來進(jìn)行無人機(jī)沖突避免。

本發(fā)明的一種低空域的無人機(jī)沖突避免系統(tǒng)及方法，通過采用安裝在無人機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)記錄模塊實(shí)時提供的該無人機(jī)的gps信息以及速度信息等等，計(jì)算出各個無人機(jī)之間的相對距離以及相對速度，在操控手獲取這些信息，及時地改變無人機(jī)的飛行速度大小和方向，以達(dá)到防止無人機(jī)之間發(fā)生碰撞，進(jìn)行沖突避免的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的低空域的無人機(jī)沖突避免系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明的低空域的無人機(jī)沖突避免方法的步驟圖。

圖3為本發(fā)明的低空域的無人機(jī)沖突避免方法在飛行數(shù)據(jù)記錄側(cè)的算法流程圖。

圖4為本發(fā)明的低空域的無人機(jī)沖突避免系統(tǒng)與無人機(jī)操控手間的通信示意圖

圖5為本發(fā)明的低空域的無人機(jī)沖突避免方法在地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)側(cè)的算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例。

參看圖1，為一種低空域的無人機(jī)沖突避免系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，包括有設(shè)置在各無人機(jī)10內(nèi)的飛行數(shù)據(jù)記錄模塊11和無線數(shù)傳模塊12、與無人機(jī)通過無線數(shù)傳模塊12交換數(shù)據(jù)的地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)20；

所述飛行數(shù)據(jù)記錄模塊11包括有用以接受通信衛(wèi)星30的gps定位信息的gps模塊和記錄無人機(jī)飛行速度的加速度傳感器；

所述地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)30包括有數(shù)據(jù)采集服務(wù)器21和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器22；所述數(shù)據(jù)采集服務(wù)器21用于存儲接收到的各無人機(jī)位置和速度信息；所述數(shù)據(jù)分析服務(wù)器22用于分析數(shù)據(jù)采集服務(wù)器21的無人機(jī)位置和速度信息，以計(jì)算各無人機(jī)10的飛行軌跡曲線。

所述飛行數(shù)據(jù)記錄模塊11還包括有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(未圖示)，其用以將采集的無人機(jī)在84坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)和無人機(jī)相對大地速度的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與無人機(jī)的無線數(shù)傳模塊通信連接。

所述無人機(jī)地面站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器與無人機(jī)操作手的手持客戶端通過移動無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信連接，數(shù)據(jù)分析服務(wù)器執(zhí)行無人機(jī)沖突避免算法后的結(jié)果發(fā)送給無人機(jī)操作手的手持客戶端。

所述無人機(jī)操作手的手持客戶端為手機(jī)、平板或遙控控制器。

參看圖2，一種低空域的無人機(jī)沖突避免方法，包括步驟如下：

步驟s1,通過飛行數(shù)據(jù)記錄模塊采集無人機(jī)飛行信息，通過無線數(shù)傳模塊將無人機(jī)的飛行信息相關(guān)數(shù)據(jù)到地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)，以計(jì)算無人機(jī)的飛行軌跡；

步驟s2，地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)采用沖突避免算法進(jìn)行無人機(jī)飛行信息數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時告知無人機(jī)操控員無人機(jī)的狀態(tài)信息。

參看圖3，作為所述步驟s1具體實(shí)施例，其包括如下步驟：

步驟s11：獲得wgs-84坐標(biāo)系下的無人機(jī)的三維坐標(biāo)；安裝在無人機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)記錄模塊11包含有g(shù)ps模塊可以獲得該無人機(jī)10的經(jīng)緯度信息；gps模塊采用交匯定位的方法來進(jìn)行定位，由于衛(wèi)星和接收機(jī)的時鐘不同步的原因，接收機(jī)必須要接受到不少于4顆可用的衛(wèi)星才可利用下面公式求得所在位置。

公式中的(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，(x4，y4，z4)分別為四顆衛(wèi)星的gps坐標(biāo)，(x，y，z)為gps的接收機(jī)的三維坐標(biāo)，c為光速，δt為四顆衛(wèi)星時鐘時間誤差補(bǔ)償，d1,d2,d3,d4，分別為四顆衛(wèi)星到gps接收機(jī)的距離。通過求解上面方程組的四個四元二次方程就可以獲得接收機(jī)的三維坐標(biāo)(x，y，z)，即是該無人機(jī)在wgs-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

步驟s12：采用7參數(shù)變換法獲得bj-54坐標(biāo)系下的無人機(jī)的三維空間直角坐標(biāo)；由于通過gps測量得到的是wgs-84坐標(biāo)系下的無人機(jī)的三維坐標(biāo)，直接采用通常會有較大誤差，可以通過七參數(shù)法進(jìn)行坐標(biāo)變換，將wgs-84坐標(biāo)系下的無人機(jī)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到我國的bj-54坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。在七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型中，兩個坐標(biāo)系除平移參數(shù)外，坐標(biāo)軸還存在旋轉(zhuǎn)參數(shù)及尺度比參數(shù)，共七個參數(shù)；wgs—84橢球與bj—54坐標(biāo)系所屬的克拉索夫斯基橢球有差異，因此要將wgs—84系空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到54系高斯平面坐標(biāo)，首先得完成wgs—84橢球到克拉索夫斯基橢球的轉(zhuǎn)代，數(shù)學(xué)模型采用布爾莎公式：

其中，m為尺度比參數(shù)，εx，εy，εz為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，δx0,δy0,δz0為平移參數(shù)。對該公式精

加變換：

解算這七個參數(shù)，至少要用到三個已知點(diǎn)，采用間接平差模型進(jìn)行解算：

v＝ax-l(4)

其中：v為殘差矩陣；x為未知七參數(shù)；a為系數(shù)矩陣；l為閉合差：

解之：

x＝(a^ta)^-1a^tl(6)

解得七參數(shù)，每輸入一坐標(biāo)值，就能求出它在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，有時在轉(zhuǎn)換精度要求不太高時，也可采用五參數(shù)布爾模型(去掉旋轉(zhuǎn)參數(shù)εx,εy)這樣，模型就為：

解算時只需兩個已知點(diǎn)即可，解算方法與七參數(shù)法完全相同；

步驟s13：通過飛行數(shù)據(jù)記錄模塊測得無人機(jī)的對地速度；

步驟s14：通過該飛行數(shù)據(jù)記錄塊上的ad轉(zhuǎn)換模塊將無人機(jī)的位置信息以及速度信息的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；

步驟s15：通過無線數(shù)傳模塊實(shí)施無人機(jī)以及地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的實(shí)時通信，將飛行數(shù)據(jù)記錄模塊獲得的無人機(jī)的位置信息以及速度信息及時的傳回地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行存儲。

參看圖4和圖5，作為另一個具體實(shí)施例，所述步驟s2具體包括如下步驟：

步驟s21：地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器采用沖突避免算法，將離散坐標(biāo)點(diǎn)擬合成無人機(jī)的飛行軌跡曲線；將由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器存儲的，在監(jiān)管范圍內(nèi)的每架無人機(jī)當(dāng)前一段時間飛行的離散坐標(biāo)點(diǎn)采用三次樣條曲線擬合算法擬合成無人機(jī)的飛行軌跡曲線；三次樣條函數(shù)曲線具有的最高多項(xiàng)式插值精度是三次多項(xiàng)式函數(shù)，所謂三次多項(xiàng)式函數(shù)，它的函數(shù)表達(dá)式sn(x)是一種的分段函數(shù)，它在節(jié)點(diǎn)xi(a＝x0＜xi＜...xn-1＜xn＝b)分成的每個小區(qū)間[xi-1,xi]上是3次多項(xiàng)式，其在此區(qū)間上的表達(dá)式如下：

因此，只要確定了mi的值，就確定了整個表達(dá)式，mi的計(jì)算方法如下。令：

則mi滿足如下n-1個方程：

μimi-1+2mi+λimi+1＝di,i＝1,2,...,n-1.(10)

對于第一種邊界條件下有

如果令

那么解就可以為：

求解出上面的矩陣方程就可以求得mi(i＝0,1,2,3,....,n)，從而可以確定整個函數(shù)表達(dá)式來擬合無人機(jī)的運(yùn)動軌跡；

步驟s22：對于任意兩架無人機(jī)的飛行軌跡曲線求出兩條軌跡曲線的最近距離，并判斷是否小于安全距離；若最近距離大于兩架無人機(jī)之間的安全距離，則說明這兩架無人機(jī)之間不會發(fā)生沖突；若最近距離小于或等于兩架無人機(jī)之間的安全距離，則說明這兩架無人機(jī)之間有可能發(fā)生沖突，此時可進(jìn)一步根據(jù)兩無人機(jī)之間的相對速度以及相對位移進(jìn)一步判斷兩架無人機(jī)是否會發(fā)生沖突；

步驟s23：通過gprs的通信方式，將地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器的沖突避免算法運(yùn)行結(jié)果發(fā)送給無人機(jī)的操控手；該操控手通過地面站的顯示屏實(shí)時的觀察所操控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)分析服務(wù)器運(yùn)行結(jié)果告知該操控手的無人機(jī)可能會與某架無人機(jī)發(fā)生碰撞，則該操控手應(yīng)該立即改變該無人機(jī)的飛行速度或飛行方向，否則繼續(xù)維持該無人機(jī)的飛行狀態(tài)，安全飛行；

步驟s24：下一時刻在地面無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器上舍去無人機(jī)飛行的最末尾的離散坐標(biāo)點(diǎn)，添加新的離散坐標(biāo)點(diǎn)采用三次樣條曲線擬合算法重新擬合無人機(jī)的飛行軌跡曲線，再循環(huán)執(zhí)行上述步驟來進(jìn)行無人機(jī)沖突避免。

所述無人機(jī)的飛行軌跡曲線是由在監(jiān)管范圍內(nèi)的每架無人機(jī)當(dāng)前一段時間飛行的離散坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)三次樣條曲線擬合算法擬合的。

本發(fā)明一種新穎的低空域無人機(jī)沖突避免方法，首先通過安裝在無人機(jī)上的飛行數(shù)據(jù)記錄儀模塊來實(shí)時采集的該無人機(jī)的飛行狀態(tài)信息，然后通過無限數(shù)傳模塊將該信息及時的傳回到無人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器在對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存后，由該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器采用沖突避免算法，通過計(jì)算多架無人機(jī)之間的相對距離以及相對速度來判斷當(dāng)前時刻該無人機(jī)是否處于危險地帶，如果是，則通過gprs無線通信的方式及時的告知該無人機(jī)的操控手，該操控手就可以通過觀察地面站上此時無人機(jī)的狀態(tài)，及時的改變無人機(jī)的飛行方向以及飛行速度，從而避免該無人機(jī)與其他無人機(jī)發(fā)生沖突，確保飛行安全。這樣的做法與傳統(tǒng)的無人機(jī)沖突避免方法相比，不僅避免沖突的效率得到提升，而且更加的智能化，更加的安全，大大提高了低空域的無人機(jī)沖突避免的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。因此這種新的基于低空域的無人機(jī)沖突避免方法在無人機(jī)監(jiān)管領(lǐng)域中將有廣泛的應(yīng)用前景。

上述實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實(shí)施例對本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。