一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法，通过编队中每一架无人机上设置的机载视觉传感器检测出目标障碍物在其对应的图像平面坐标系中的位置，推导出目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M；然后，选取任意两架机载视觉传感器得到的目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M，计算出目标障碍物在世界坐标系中的位置；确定目标障碍物是否对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁；确定编队采取的避撞方式。使编队在保持队形不变以及编队队形打破重新组合的方式规避目标障碍物。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法
本专利技术属于无人机导航与控制
，具体涉及一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法。
技术介绍
无人机编队飞行，即多架无人机为适应任务要求而进行的某种队形排列和任务分配的组织模式，它既包含编队飞行的队形产生、保持和变化，也包括飞行任务的规划和组织。多无人机编队(Multi-UAV，MUAV)应世事需求而生：在军用领域，通过数以百计、千计的无人机能够实现快速构建战区立体化传感器网络，实现整个战场的全方位，多视角环境感知。在民用领域，多无人机可以实现大视场的环境监控，灾害快速反应、快速的地图生成，全局视频直播等任务。无人机编队协同能够使实现微小型无人机的效能最大化，不仅能够扩大其在军事领域的作战能力，也能在民用领域给国民经济带来巨大的推动作用。现代的无人机越来越密集，无人机在大量的军民两用的使用中变得越来越广泛，随着微小飞行器的快速发展，未来的空域会变得越来越密集。开展无人机感知与规避(Senseandavoid，SAA)研究变得越来越紧迫。随着信息化水平的快速提高和航空技术的飞速发展，无人机在军事领域以及民用领域的不断拓展，一些远程的大型无人机不断涌现，飞行范围、运行时间成倍增长，远程无人机使用空域运行已经是必然趋势。无人机感知与规避技术是指无人机利用机载传感器或者地面监视系统完成对空域飞行环境的监视和飞行目标的状态获取，对潜在的碰撞威胁的目标进行规避路径规划，完成规避机动任务，从而保证无人机航路飞行安全。随着飞机自动控制技术与传感器技术的发展，空域中飞行器对于碰撞威胁的规避能力也在逐步的改进和完善。早期的飞机防撞系统都是在预先规划的航路及设定操作规程的基础上建立的，由于需要对碰撞威胁做出分析和判断，因此飞行员的操作在早期的飞机防撞系统中是必不可少的环节，但是，飞行员的操作会容易受到各种因素的影响，由此产生了安装在飞机上的自动防撞系统，这些自动防撞系统利用传感器数据预测飞机发生碰撞的机率，有的自动防撞系统还可以产生相应的避障制导指令。上世纪九十年代初，功能相对简单的飞机空中防撞系统已经作为空中交通管理系统(AirTrafficControlSystem)的一部分，如空中交通碰撞预警和规避系统(TrafficAlertandCollisionAvoidanceSystem,TCAS)。近年来，美国研制了更为先进的交通碰撞探测和规避系统，这些系统利用包含当前空域中所有飞机航路的数据链信息，保证飞机在空域中的飞行安全，如广播式自动相关监视系统(AutomaticDependentSurveillance-BroadcastSystem,ADS-B)。现代无人机在尺寸、重量、作战距离和高度上都有很大不同。目前世界各国所用的无人机也像北约在科索沃使用的七种无人机一样,执行的主要任务是监视、侦察和目标截获,提供图像情报。其所用的任务有效载荷都是光学照相机、红外行扫描器、电视摄像机、前视红外等无源成像探测设备。无人机执行监视、侦察和目标截获任务最主要是用光学照相机、红外行扫描器、电视摄像机和前视红外(热成像器)等任务有效载荷获取敌方图像情报提供指挥作战。无人机自身体积小，有效载荷相对较小，分布在10克～1千克，因此需要搭载的传感器尽量的体积小，质量轻。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法，使编队在保持队形不变以及编队队形打破重新组合的方式规避目标障碍物。利用多机编队的双目测距，根据检测的信息，实时跟踪与测量，通过建立飞行安全区域，在保持队形不变以及编队队形打破重新组合的。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是，一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法，包括以下步骤：步骤一、通过编队中每一架无人机上设置的机载视觉传感器检测出目标障碍物在其对应的图像平面坐标系中的位置，推导出目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M；根据机载视觉传感器监测到的目标障碍物的信息，计算出其在图像平面坐标系中的位置；然后依次计算出目标障碍物在成像平面坐标系中的位置、目标障碍物在相机坐标系中的位置、目标障碍物相对于机体坐标系的位置、目标障碍物在世界坐标系中的位置；其中选用的相机坐标系，采用四元算法进行姿态转移，以解决姿态转移中的奇异值问题；步骤二、选取步骤一中所得的任意两架机载视觉传感器得到的目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M，通过双目视觉测距的原理，计算出目标障碍物在世界坐标系中的位置；选取编队中任意两架无人机，将由步骤一中所得的对应的目标障碍物的转移矩阵M建立方程组，通过最小二乘法，计算出目标障碍物在世界坐标系中的位置；步骤三、在编队中定义虚拟掌机和虚拟安全区域，由步骤二中所得的目标障碍物在世界坐标系中的位置，计算得出目标障碍物与虚拟掌机及虚拟安全区域的距离，确定目标障碍物是否对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁；具体过程如下：3.1.计算出虚拟掌机的位置，其中：PGC为编队中心位置，是第i架无人机的飞行位置；其中，n为编队中无人机的架数；i为自然数，且i属于1，2……n；3.2.确定虚拟掌机的虚拟安全区域，将虚拟安全区域定义为椭球飞行包络：其中，编队采取安全飞行模式，定义编队飞行方向为x方向，z轴沿编队位置向上，y轴满足右手规则；a为x轴上的长半轴，b为y轴上的短半轴，c为z轴方向上的短半轴，无人机飞行过程中，以飞行安全碰撞时间为长半轴，这样定义最短碰撞距离d，定义b＝c，选取黄金分割点：这样就完成了椭球飞行包络的定义；则ds的方向与编队飞行方向一致，即编队速度方向；其中：ds是飞行的安全距离，R为定制，根据编队队形进行系统性定义；D为飞行安全距离；T为飞行安全最短时间；为编队飞行速度；这样，当a＝‖ds‖计算出虚拟掌机的虚拟安全区域，即椭球飞行包络；3.3.计算编队中单架次无人机的飞行安全区域，对编队每一架飞机进行飞行安全区域划分，计算每一架飞机的最小分离距离当时，为其飞行安全区域；其中：为目标障碍物的相对运动速度，其中和分别是目标障碍物的运动速度以及单架次无人机的运动速度，定义相对运动速度径向距离为无人机与目标障碍物的径向距离；步骤四、根据步骤三所得的结果，当目标障碍物不对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁时，编队保持原航路飞行；当目标障碍物对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁时，编队中相应的无人机进行规避，完成避撞后，进入原来的编队，编队回归原来的航路。进一步地，该步骤四中的具体过程如下：计算由单架次无人机的转弯半径：和单架次无人机的最大转弯加速度其中：VFLN∈(Vmin,Vmax),acent≤A(VL,RL,Vmax)，VFLN为单架次无人机的转弯速度，VL为单架次无人机在转弯处左侧的速度，RL为单架次无人机在转弯处左侧的半径，f是无人机能够提供的最大推力或侧向力矩，A表示函数；无人机在飞行过程中的速度必须满足(Vmin，Vmax)，其中Vmin为单架次无人机的最小的速度值，Vmax为单架次无人机的最大的速度值；计算编队中的单架次无人机由虚拟掌机左侧避撞与右侧避撞的最大转弯半径，要使单架次无人机满足的飞行要求，通过信息交互，当所有编队成员具有满足同一侧避撞需求时，即进行无人机编队本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过编队中每一架无人机上设置的机载视觉传感器检测出目标障碍物在其对应的图像平面坐标系中的位置，推导出目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M；步骤二、选取步骤一中所得的任意两架机载视觉传感器得到的目标障碍物对应的的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M，通过双目视觉测距的原理，计算出目标障碍物在世界坐标系中的位置；步骤三、在编队中定义虚拟掌机和虚拟安全区域，由步骤二中所得的目标障碍物在世界坐标系中的位置，计算得出目标障碍物与虚拟掌机及虚拟安全区域的距离，确定目标障碍物是否对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁；步骤四、根据步骤三所得的结果，当目标障碍物不对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁时，编队保持原航路飞行；当目标障碍物对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁时，编队中相应的无人机进行规避，完成避撞后，进入原来的编队，编队回归原来的航路。

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉的无人机编队感知与规避方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过编队中每一架无人机上设置的机载视觉传感器检测出目标障碍物在其对应的图像平面坐标系中的位置，推导出目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M；根据机载视觉传感器监测到的目标障碍物的信息，计算出其在图像平面坐标系中的位置；然后依次计算出目标障碍物在成像平面坐标系中的位置、目标障碍物在相机坐标系中的位置、目标障碍物相对于机体坐标系的位置、目标障碍物在世界坐标系中的位置；其中选用的相机坐标系，采用四元算法进行姿态转移，以解决姿态转移中的奇异值问题；步骤二、选取步骤一中所得的任意两架机载视觉传感器得到的目标障碍物对应的相机坐标系到对应的世界坐标系的转移矩阵M，通过双目视觉测距的原理，计算出目标障碍物在世界坐标系中的位置；选取编队中任意两架无人机，将由步骤一中所得的对应的目标障碍物的转移矩阵M建立方程组，通过最小二乘法，计算出目标障碍物在世界坐标系中的位置；步骤三、在编队中定义虚拟掌机和虚拟安全区域，由步骤二中所得的目标障碍物在世界坐标系中的位置，计算得出目标障碍物与虚拟掌机及虚拟安全区域的距离，确定目标障碍物是否对虚拟掌机和虚拟安全区域造成威胁；具体过程如下：3.1.计算出虚拟掌机的位置，其中：PGC为编队中心位置，是第i架无人机的飞行位置；其中，n为编队中无人机的架数；i为自然数，且i属于1，2……n；3.2.确定虚拟掌机的虚拟安全区域，将虚拟安全区域定义为椭球飞行包络：其中，编队采取安全飞行模式，定义编队飞行方向为x方向，z轴沿编队位置向上，y轴满足右手规则；a为x轴上的长半轴，b为y轴上的短半轴，c为z轴方向上的短半轴，无人机飞行过程中，以飞行安全碰撞时间为长半轴，这样定义最短碰撞距离d，定义b＝c，选取黄金分割点：这样就完成了椭球飞行包络的定义；则ds的方向与编队飞行方向一致，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海锋，潘泉，吕洋，赵春晖，唐统国，张夷斋，程承，张庆春，姜珊，祝凯旋，席庆彪，刘慧霞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61