一种无人机三维避障驾驶系统及驾驶方法技术方案

本申请公开了一种无人机三维避障驾驶系统及驾驶方法，涉及无人机技术领域，解决了现行操控作业模式技能要求高、避障安全差的技术问题。本申请的无人机三维避障驾驶系统包括：飞行控制系统，用于为障碍监测系统提供无人机手动操控运动信息，接收并执行障碍监测系统发送的安全指令；障碍监测系统，用于接收无人机手动操控或航线规划的运动信息，根据空间三维数据进行障碍物飞行冲突检测与分析，并根据分析结果向飞行控制系统或地面站发送相应的安全指令；地面站，用于航线规划和飞行控制系统与障碍监测系统之间的通信。本申请主要用于无人驾驶。

An UAV 3D obstacle avoidance driving system and driving method

The application discloses a three-dimensional obstacle avoidance driving system and driving method for UAV, which relates to the technical field of UAV, and solves the technical problems of high skill requirement and poor obstacle avoidance safety in the current operation mode. The application of UAV three-dimensional obstacle avoidance driving system includes: flight control system for providing UAV manual control motion information for obstacle monitoring system, receiving and executing safety instructions sent by obstacle monitoring system; obstacle monitoring system for receiving UAV manual control or route planning motion information, according to the air Three-dimensional data are used to detect and analyze obstacle flight conflicts, and corresponding safety instructions are sent to flight control system or ground station according to the analysis results. Ground station is used for communication between route planning and flight control system and obstacle monitoring system. This application is mainly used for pilotless driving.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机三维避障驾驶系统及驾驶方法
本申请涉及无人机
，具体涉及一种无人机三维避障驾驶系统及驾驶方法。
技术介绍
随着无人机行业应用规模和深度的迅速发展，飞控手的技能要求和避障风险也大幅增加，现行目视观测和手动操控的作业模式沦为日益突出的制约因素，自主避障技术也升为行业关注和研究的创新焦点。目前无人机自主避障技术主流技术方案是，基于机载雷达和视频传感器实时监测随机环境障碍，以控制安全间距和飞行姿态。该方案专用传感器和系统还需提升性价比和可靠性，尚无可规模商用的产品。
技术实现思路
本申请的目的在于提供一种无人机三维避障驾驶系统及驾驶方法，用于解决无人机作业过程中的自动安全避障的技术问题。为达到上述目的，本申请的无人机三维避障驾驶系统，包括：飞行控制系统，用于为障碍监测系统提供无人机手动操控的运动信息，接收并执行障碍监测系统发送的安全指令；障碍监测系统，用于接收无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息，根据空间三维数据与预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，并根据分析结果向飞行控制系统或地面站发送相应的安全指令；地面站，用于航线规划和飞行控制系统与障碍监测系统之间的通信。优选地，障碍监测系统包括：运动信息模块，用于获取无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息；冲突检测模块，用于根据无人机运动信息、空间三维数据与预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，获得飞行冲突点位及场景；安全指令模块，用于根据飞行冲突点位及场景与安全控制策略，发送相应的手动操控或航线规划安全指令，避免飞行冲突。优选地，所述冲突检测模块包括障碍包络模块，基于障碍物外形结构、尺寸构建障碍物包络体，再根据预设安全间距构建障碍物多层包络网，所述包络网包括四层，从外向里依次是安全区、强制减速区、强制悬停区和禁入区。本申请的无人机三维避障驾驶系统，一方面保证了无人机手动操控和规划航线飞行的安全，另一方面提高了无人机智能控制和作业飞行的效率。本申请还提出无人机三维避障驾驶系统的驾驶方法，包括：获取无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息；根据无人机运动信息与空间三维数据、预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，获得飞行冲突点位及场景；根据飞行冲突点位及场景与安全控制策略，发送相应的手动操控或航线规划安全指令，避免飞行冲突。优选地，进行飞行冲突检测与分析的方法为：建立障碍监测系统模型；得到飞行冲突分析场景；进行无人机与障碍物之间的飞行冲突检测；得到无人机与障碍物之间的飞行冲突分析结果。优选地，建立障碍监测系统模型的方法为:预先采集飞行作业区域的三维空间数据并建立三维空间模型；对三维空间模型中的障碍物基于其外形结构、尺寸进行包络体处理，再根据预设安全间距构建多层包络网；将三维空间模型的地理坐标系转化为无人机飞控系统的本地坐标系。优选地，进行无人机与障碍物之间的飞行冲突分析的方法为：首先进行z轴方向无人机与各障碍物包络网的位置关系判断；再筛选出在z轴方向有飞行冲突风险的障碍物；对在z轴方向有飞行冲突风险的障碍物再进行x轴与y轴方向的飞行冲突确认判断。优选地，避免飞行冲突的方法包括：在手动操控飞行时的安全避障控制策略、在规划航线飞行中的安全避障控制策略和在自动返航飞行中的安全避障控制策略等一种或多种；手动操控飞行模式：无人机起飞后，飞行控制系统推送实时飞行运动信息给障碍监测系统进行飞行冲突监测分析，当飞机在安全区内，可继续执行手动操控指令；当飞机进入强制减速区，只执行手动操控的方向指令，航速指令限定规定限值；当飞机进入强制悬停区，自动悬停，并只执行后续手动操控的返回强制减速区方向指令，航速指令限定规定限值；当飞机进入禁入区，自动原航线返回强制悬停区，并悬停，等待后续手动操控的返回强制减速区方向指令；规划航线飞行模式：飞行前在地面站上规划作业航点，推送障碍监测系统进行飞行冲突监测分析，在可视化界面中提示存在飞行冲突的航点，自动或手动修改至全部航点没有飞行冲突。监测修订的规划航线上传无人机后，飞行控制系统可按照规划的航点实现安全避障飞行；自动返航飞行模式：手动操控飞行模式可配置自动返航飞行功能，地面站与障碍监测系统在飞行过程中依据事先指定返航高度和家点实时自动规划返航航线，可以在地面站启动自动返航指令，控制无人机按自动返航规划航线返航降落。优选地，飞行控制系统可配置动力电池监测功能，根据采集的实时与历史的航线与电量数据，根据曲线拟合算法，实时计算预测当前位置自动返航规划航线所需的电量Qrtl。可设置自动返航策略，即当：Qr≤Qrtl+△，其中，△为电量安全阈值，Qr为当前实时电量，飞行控制系统会自动启动自动返航指令，使无人机自动返航。优选地，本申请的无人机三维避障驾驶系统的驾驶方法与无人机三维避障驾驶系统的技术效果一致，在此就不一一赘述。附图说明为了更清楚地说明本申请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申请中记载的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请的无人机三维避障驾驶系统的结构示意图；图2是本申请的障碍监测系统的结构示意图；图3是本申请的冲突分析x坐标的示意图；图4是本申请的障碍物包络网的结构示意图；图5是以机场为代表的包络网的结构示意图；图6是以城市为代表的包络网的结构示意图；图7是以山区为代表的包络体的结构示意图；图8是本申请的无人机三维避障驾驶系统的驾驶方法的流程图；图9是本申请的进行无人机飞行冲突检测与分析，得到飞行冲突分析结果的方法的流程图；图10是无人机返航时的线路示意图；图11是无人机返航时的另一线路示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域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，都属于本专利技术保护的范围。实施例一图1是本申请的无人机三维避障驾驶系统的结构示意图。如图1所示，本申请的无人机三维避障驾驶系统包括：飞行控制系统1、障碍监测系统2和地面站3，其中，飞行控制系统1，用于为障碍监测系统2提供无人机手动操控的运动信息，接收并执行障碍监测系统2发送的安全指令；障碍监测系统2，用于接收无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息，根据空间三维数据与障碍预设安全间距进行飞行冲突检测与分析，并根据分析结果向飞行控制系统1发送相应的手动操控或航线规划安全指令；地面站3，用于航线规划和飞行控制系统与障碍监测系统之间的通信。具体地，地面站3与飞行控制系统1之间的通信协议可以为MAVlink协议(MicroAirVehicleLink，微型空中飞行器链路通讯协议)，地面站3与障碍监测系统2之间的通信协议可以为wifi协议。优选地，飞行控制系统1还包括智能电池监测模块，能够记录和预测无人机每次作业的总飞行时间/航线距离以及某一时刻无人机完成和剩余的飞行时间/航线距离，配合航时管理系统实现自动返航功能。图2是本申请的障碍监测系统的结构示意图。如图2所示，障碍监测系统包括：运动信息模块21，用于获取无人机的手动操控或规划航线的运动信息；冲突检测模块2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机三维避障驾驶系统，其特征在于，包括：飞行控制系统，用于为障碍监测系统提供无人机手动操控的运动信息，接收并执行障碍监测系统发送的安全指令；障碍监测系统，用于接收无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息，根据空间三维数据与预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，并根据分析结果向飞行控制系统或地面站发送相应的安全指令；地面站，用于航线规划和飞行控制系统与障碍监测系统之间的通信。

【技术特征摘要】
1.一种无人机三维避障驾驶系统，其特征在于，包括：飞行控制系统，用于为障碍监测系统提供无人机手动操控的运动信息，接收并执行障碍监测系统发送的安全指令；障碍监测系统，用于接收无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息，根据空间三维数据与预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，并根据分析结果向飞行控制系统或地面站发送相应的安全指令；地面站，用于航线规划和飞行控制系统与障碍监测系统之间的通信。2.如权利要求1所述的驾驶系统，其特征在于，障碍监测系统包括：运动信息模块，用于获取无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息；冲突检测模块，用于根据无人机运动信息、空间三维数据与预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，获得飞行冲突点位及场景；安全指令模块，用于根据飞行冲突点位及场景与安全控制策略，发送相应的手动操控或航线规划安全指令，避免飞行冲突。3.如权利要求2所述的驾驶系统，其特征在于，所述冲突检测模块包括障碍包络模块，基于障碍物外形结构、尺寸构建障碍物包络体，再根据预设安全间距构建障碍物多层包络网，所述包络网包括四层，从外向里依次是安全区、强制减速区、强制悬停区和禁入区。4.一种无人机三维避障驾驶系统的驾驶方法，其特征在于，包括：获取无人机手动操控或地面站航线规划的运动信息；根据无人机运动信息与空间三维数据、预设障碍安全间距进行飞行冲突检测与分析，获得飞行冲突点位及场景；根据飞行冲突点位及场景与安全控制策略，发送相应的手动操控或航线规划安全指令，避免飞行冲突。5.如权利要求4所述的驾驶方法，其特征在于，进行飞行冲突检测与分析的方法为：建立障碍监测系统模型；得到飞行冲突分析场景；进行无人机与障碍物之间的飞行冲突检测；得到无人机与障碍物之间的飞行冲突分析结果。6.如权利要求5所述的驾驶方法，其特征在于，建立障碍监测系统模型的方法为:预先采集飞行作业区域的三维空间数据并建立三维空间模型；对三维空间模型中的障碍物基于其外形结构、尺寸进行包络体处理，再根据预设安全间距构建多层包络网；将三...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟风涛，王永威，赵海龙，
申请(专利权)人：航天图景北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11