一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法技术

本发明专利技术公开了一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法，涉及无人机数据处理与决策领域。本方法基于无人机实时图像及遥测数据构建以下五种特情的状态估计规则：无人机丢星或信号受干扰、电池电量不足、风力过大、图传中断以及无人机失控；然后实时估计无人机状态，自主检测和判别无人机特情类型，给出相应的特情处置策略；最后根据特情处置优先级依次处理，及时调整无人机姿态、速度和位置以脱离危险场景，提高无人机的安全飞行系数。本发明专利技术不仅能够检测并处理多种无人机常见特情，针对多种特情同时出现的场景依然有效，同时提供了一种新的无人机丢星处置方法，效率较高。效率较高。效率较高。

A UAV special situation disposal method based on state estimation rules

【技术实现步骤摘要】
一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法


[0001]本专利技术涉及无人机数据处理与决策领域，特别是指一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法，可用于无人机特情故障的检测与安全处置。

技术介绍

[0002]无人机以其成本低、生存能力强、体积小、重量轻、机动性好等特点，在社会生活和现代战争中均发挥了重要作用，给无人机的发展注入了新的活力。然而，就技术层面而言，所有无人机目前普遍存在以下几个问题：(1)无人机续航能力不足；(2)无人机通信系统主要使用1.4GHz和2.4GHz无线电频段，其中1.4GHz主要作为数据通讯频段，2.4GHz主要作为图像传输频段。公共无线电通信链路的抗干扰能力弱，尤其是同频干扰无法避免。随着无人机的数量指数级增长，无人机通信系统干扰的问题，将日渐突出；(3)受地形、天气等客观条件影响，导航卫星信号易受干扰，精度和稳定性不足，会导致无人机悬停不稳、偏离预设航线等问题。
[0003]近两年，无人机的几次重要表演事故引发了行业的普遍关注：西安无人机表演失控、重庆无人机撞大楼和郑州无人机坠落事件。此类事故产生的主要原因是无人机的定位及辅助定位系统受到干扰，造成其位置和高度的数据异常；其次是电量不足导致无人机坠落。这也是无人机事故发生的常见问题，除此之外，最容易出问题的几个地方在于：(1)数传通讯出现故障：无人机无法及时执行控制中心发出的指令乱飞，无法更新RTK数据而导致无法精确定位；(2)GPS信号丢失：无法定位，无人机乱飞；(3)磁罗盘(电子指南针)被干扰：无人机容易画圈飞。这几个问题都会导致无人机乱飞、坠落、撞击等严重事故。
[0004]目前无人机自主飞行任务中普遍存在以下几种特情：
[0005](1)无人机丢星或者信号受干扰，接收不到GPS信号；
[0006](2)电池电量不足，剩余电量不足以返回起飞点；
[0007](3)风力过大，飞行安全无法保障；
[0008](4)图传中断或控制信号不稳；
[0009](5)无人机失控。
[0010]要避免这些普遍存在的问题所造成的不利影响，除了硬件技术的更新换代，还可以通过现有知识库和视觉图像算法进行辅助决策和紧急处置来避免无人机事故的发生。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于避免上述背景方法中所存在特情引发的问题而提供一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法。本专利技术不仅基于无人机实时图像及遥测数据构建了状态估计规则，同时可以根据状态估计规则实时估计无人机状态，自主判别无人机特情类型，给出相应的处置决策方案，使无人机能够及时调整自身姿态、速度和位置以脱离危险场景，提高无人机的安全飞行系数。
[0012]本专利技术所采用的技术方案是：
[0013]一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法，包括以下过程：
[0014]构建无人机丢星或者信号受干扰，接收不到GPS信号的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机丢星或者GPS信号受干扰特情发生时，向无人机发送悬停指令，等待信号恢复；
[0015]构建无人机电池电量不足，剩余电量不足以返回起飞点的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机电池电量不足特情发生时，向无人机发送返航指令；
[0016]构建风力过大，飞行安全无法保障的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当风力超过阈值时，向无人机发送降落指令；
[0017]构建图传中断或控制信号不稳的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当图传中断时，向无人机发送返航指令；
[0018]构建无人机失控的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，记录并不断更新无人机经纬度数据，当无人机失控特情发生时，利用第二架无人机到最终所记录经纬度附近搜寻失控无人机的具体位置；
[0019]当多种特情同时发生时，根据特情处置优先级依次处理，及时调整自身姿态、速度和位置以脱离危险场景。
[0020]进一步的，构建无人机丢星或者信号受干扰，接收不到GPS信号的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机丢星或者GPS信号受干扰特情发生时，向无人机发送悬停指令，等待信号恢复，具体方式为：
[0021](101)根据无人机链路通信协议获取当前导航卫星接收数N和测控信号值S；
[0022](102)记事件A＝N＜5||S＜T
S
，其中T
S
为测控信号阈值，当某一时刻t发生事件A，则在设定时间范围内统计事件A发生的频率p；若频率p大于阈值，则判定无人机丢星或者GPS信号受干扰；
[0023](103)当无人机丢星或者GPS信号受干扰的特情发生时，向无人机发送悬停指令；
[0024](104)将无人机吊舱镜头调整为垂直下视拍摄，并设置稳像模式，获取无人机当前位置正下方的图像I；将前后不同时相t1和t2的图像分别记为I1和I2；通过GPU加速提取初始时相图像I1的SURF特征点集合P1，并使用光流法匹配I2图像的SURF特征点集合P2；
[0025](105)利用基于图割优化的RANSAC算法提纯特征点匹配对，剔除误匹配，I1和I2提纯后的特征点对分别记为P
i(i＝1，2，3...，n)
和P
j(j＝1，2，3...，n)
，n为特征点对个数；然后同时执行步骤(106)
‑
(108)和步骤(109)
‑
(111)；
[0026](106)从提纯后的特征点对中分别遍历选取两点记为P
i1
和P
i2
以及P
j1
和P
j2
，选取组合有种；
[0027](107)根据特征点对分别遍历计算P
i1
和P
i2
之间的距离累加值D1，P
j1
和P
j2
之间的距离累加值D2；
[0028](108)计算I1和I2特征点对的距离累加值的比值R＝D1/D2，若R＞R1，则相比时相t1，无人机在时相t2的高度更高，为了保持悬停位置，给无人机发送指令降低旋翼转速，降低高度，直至R距离1.0在设定范围内；若R＜R2，则相比时相t1，无人机在时相t2的高度更低，给无人机发送指令提高旋翼转速，拉升高度，直至R距离1.0在设定范围内，执行步骤(112)；
[0029](109)根据特征点对分别计算P
i(i＝1，2，3...，n)
在图像I1上像元坐标的累加值为(x1，y1)，P
j(j＝1，2，3...，n)
在图像I2上像元坐标的累加值为(x2，y2)；则无人机在t2时刻相对t1时刻的
像元坐标偏移量为
[0030](110)计算无人机图像对应的地面分辨率，计算公式如下：
[0031][0032]其中，GSD为地面分辨率，f为吊舱镜头焦距，CCD为成像传感器的像元尺寸，H为无人机航线的对地航高；
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于状态估计规则的无人机特情处置方法，其特征在于，包括以下过程：构建无人机丢星或者信号受干扰，接收不到GPS信号的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机丢星或者GPS信号受干扰特情发生时，向无人机发送悬停指令，等待信号恢复；构建无人机电池电量不足，剩余电量不足以返回起飞点的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机电池电量不足特情发生时，向无人机发送返航指令；构建风力过大，飞行安全无法保障的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当风力超过阈值时，向无人机发送降落指令；构建图传中断或控制信号不稳的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当图传中断时，向无人机发送返航指令；构建无人机失控的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，记录并不断更新无人机经纬度数据，当无人机失控特情发生时，利用第二架无人机到最终所记录经纬度附近搜寻失控无人机的具体位置；当多种特情同时发生时，根据特情处置优先级依次处理，及时调整自身姿态、速度和位置以脱离危险场景。2.根据权利要求1所述的基于状态估计规则的无人机特情处置方法，其特征在于，构建无人机丢星或者信号受干扰，接收不到GPS信号的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机丢星或者GPS信号受干扰特情发生时，向无人机发送悬停指令，等待信号恢复，具体方式为：(101)根据无人机链路通信协议获取当前导航卫星接收数N和测控信号值S；(102)记事件A＝N＜5||S＜T
S
，其中T
S
为测控信号阈值，当某一时刻t发生事件A，则在设定时间范围内统计事件A发生的频率p；若频率p大于阈值，则判定无人机丢星或者GPS信号受干扰；(103)当无人机丢星或者GPS信号受干扰的特情发生时，向无人机发送悬停指令；(104)将无人机吊舱镜头调整为垂直下视拍摄，并设置稳像模式，获取无人机当前位置正下方的图像I；将前后不同时相t1和t2的图像分别记为I1和I2；通过GPU加速提取初始时相图像I1的SURF特征点集合P1，并使用光流法匹配I2图像的SURF特征点集合P2；(105)利用基于图割优化的RANSAC算法提纯特征点匹配对，剔除误匹配，I1和I2提纯后的特征点对分别记为P
i(i＝1，2，3...，n)
和P
j(j＝1，2，3...，n)
，n为特征点对个数；然后同时执行步骤(106)
‑
(108)和步骤(109)
‑
(111)；(106)从提纯后的特征点对中分别遍历选取两点记为P
i1
和P
i2
以及P
j1
和P
j2
，选取组合有种；(107)根据特征点对分别遍历计算P
i1
和P
i2
之间的距离累加值D1，P
j1
和P
j2
之间的距离累加值D2；(108)计算I1和I2特征点对的距离累加值的比值R＝D1/D2，若R＞R1，则相比时相t1，无人机在时相t2的高度更高，为了保持悬停位置，给无人机发送指令降低旋翼转速，降低高度，直至R距离1.0在设定范围内；若R＜R2，则相比时相t1，无人机在时相t2的高度更低，给无人机发送指令提高旋翼转速，拉升高度，直至R距离1.0在设定范围内，执行步骤(112)；
(109)根据特征点对分别计算P
i(i＝1，2，3...，n)
在图像I1上像元坐标的累加值为(x1，y1)，P
j(j＝1，2，3
…
，n)
在图像I2上像元坐标的累加值为(x2，y2)；则无人机在t2时刻相对t1时刻的像元坐标偏移量为(110)计算无人机图像对应的地面分辨率，计算公式如下：其中，GSD为地面分辨率，f为吊舱镜头焦距，CCD为成像传感器的像元尺寸，H为无人机航线的对地航高；(111)根据地面分辨率GSD和像元坐标偏移量通过调整无人机，维持无人机水平位置的稳定悬停，执行步骤(112)；(112)无人机悬停等待信号恢复，若等待时长超出设定阈值未恢复正常则令无人机返航。3.根据权利要求1所述的基于状态估计规则的无人机特情处置方法，其特征在于，构建无人机电池电量不足，剩余电量不足以返回起飞点的状态估计规则；根据规则实时估计无人机状态，当无人机电池电量不足特情发生时，向无人机发送返航指令，具体方式为：(201)根据无人机链路通信协议获取参数：无人机起飞位置L0(lon，lat)和当前位置L1(lon，lat)、无人机起飞时间t
start
和当前时间t
now
...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿虎军，熊恒斌，王港，高峰，李晨阳，仇梓峰，柴兴华，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：