本公开提供了一种无人机的三维速度避障方法和三维速度避障装置。该方法包括根据无人机的位置信息和障碍物的位置速度信息，分别构建惯性坐标系、机体坐标系、球形保护区域和切点圆形区域；根据预设斥力势场的中心和球形保护区域生成势场模型，并在障碍物的位置信息的位置向量的模满足预设条件的情况下基于势场模型生成径向速度；根据预设碰撞锥的顶点坐标和第一旋转矩阵得到点集合；根据目标点的位置信息和旋转角度确定第二旋转矩阵，对顶点坐标、切点圆形区域和点集合进行处理得到边界点集；根据边界点集和离散后的第一参变量确定无人机朝向目标点的速度量；根据第三旋转矩阵、速度量和径向速度生成无人机避开障碍物飞向目标点的目标速度分量。目标点的目标速度分量。目标点的目标速度分量。
【技术实现步骤摘要】
无人机的三维速度避障方法和三维速度避障装置
[0001]本公开涉及无人机
，更具体地，涉及一种无人机的三维速度避障方法和三维速度避障装置。
技术介绍
[0002]近年来，随着无人机的应用程度日益增强，无人机的应用领域逐渐扩大，室外巡航、合围追踪、集群对抗、封闭区域探索等吸引了许多研究人员的注意，因此人们对无人机作业时的灵活性以及智能化提出了更高的要求。其中避障功能是实现许多上述功能的基础，是无人机能安全稳定飞行的保障。近年来无人机避障主要有碰撞锥法、势场法、轨迹规划法、速度避障方法等。
[0003]在实现本公开构思的过程中，专利技术人发现相关技术中至少存在如下问题：相关技术中确定的无人机避障路径容易进入障碍物的保护区域内，从而与障碍物发生碰撞，使得无人机的飞行安全指数较低。
技术实现思路
[0004]有鉴于此，本公开实施例提供了一种无人机的三维速度避障方法和三维速度避障装置。
[0005]本公开实施例的一个方面提供了一种无人机的三维速度避障方法，包括：
[0006]根据所述无人机的位置信息和障碍物的位置速度信息，分别构建惯性坐标系、无人机的机体坐标系、所述障碍物的球形保护区域和切点圆形区域，其中，所述切点圆形区域表征从所述无人机的位置信息发出且与所述球形保护区域相切的切点所构成的圆形区域；
[0007]根据预设斥力势场的中心和所述球形保护区域，生成势场模型，并在所述障碍物的位置信息在所述机体坐标系中的位置向量的模满足预设条件的情况下，基于所述势场模型生成径向速度；
[0008]根据预设碰撞锥在所述机体坐标系的顶点坐标和第一旋转矩阵，得到点集合，其中，所述第一旋转矩阵用于将锥坐标系转换为所述机体坐标系，所述锥坐标系是基于预设旋转规则对所述机体坐标系进行旋转得到的，所述点集合表征从所述无人机的位置信息发出且与所述球形保护区域相切的多个射线在所述碰撞锥的锥侧面形成的多个点的集合；
[0009]根据目标点在机体坐标系中的位置信息和避障平面的旋转角度，确定第二旋转矩阵，并基于所述第二旋转矩阵，利用第一参变量对所述顶点坐标、所述切点圆形区域和所述点集合进行处理，得到避障平面上的边界点集，其中，所述第二旋转矩阵用于将避障平面坐标系转换到所述机体坐标系；
[0010]根据所述边界点集和离散后的第一参变量，确定所述无人机在所述避障平面坐标系中朝向所述目标点的速度量；
[0011]基于所述无人机与所述障碍物的距离位于预设位置范围，根据第三旋转矩阵、所述速度量和所述径向速度中的至少一个，生成所述无人机避开所述障碍物飞向所述目标点
的目标速度分量，其中，所述第三旋转矩阵是根据所述旋转角度生成的用于将所述机体坐标系转换为所述避障平面坐标系。
[0012]根据本公开的实施例，所述机体坐标系与所述惯性坐标系的坐标系方向相同，所述机体坐标系的原点为所述无人机的位置信息，所述预设位置范围是根据所述球形保护区域的保护半径和所述预设斥力势场的势场半径确定的。
[0013]根据本公开的实施例，所述锥坐标系是基于预设旋转规则对所述机体坐标系进行旋转得到的，包括：
[0014]对所述机体坐标系绕竖轴旋转第一转动角度，得到过渡坐标系；
[0015]对所述过渡坐标系绕纵轴旋转第二转动角度，得到所述锥坐标系；
[0016]其中，所述第一旋转矩阵是根据第一参变量、所述第一转动角度和所述第二转动角度生成的。
[0017]根据本公开的实施例，所述根据预设碰撞锥在所述机体坐标系的顶点坐标和第一旋转矩阵，得到点集合，包括：
[0018]利用所述第一参变量处理所述切点圆形区域，得到处理后的切点圆形区域；
[0019]根据所述处理后的切点圆形区域、所述顶点坐标和第二参变量，生成所述点集合。
[0020]根据本公开的实施例，所述根据目标点在机体坐标系中的位置信息和避障平面的旋转角度，确定第二旋转矩阵，并基于所述第二旋转矩阵，利用第一参变量对所述顶点坐标、所述切点圆形区域和所述点集合进行处理，得到避障平面上的边界点集，包括：
[0021]对所述目标点的位置信息在所述机体坐标系中进行向量转换，得到目标点位置向量，其中，所述目标点位置向量包括纵坐标分量和竖坐标分量；
[0022]根据所述纵坐标分量和所述竖坐标分量，生成所述避障平面的旋转角度；
[0023]根据所述旋转角度生成所述第二旋转矩阵；
[0024]基于所述第二旋转矩阵和所述第一参变量，将所述顶点坐标、所述切点圆形区域和所述点集合分别转换在所述避障平面坐标系中，得到过渡顶点坐标、过渡切点圆形区域和过渡点集合；
[0025]基于所述过渡顶点坐标、所述过渡切点圆形区域和第二参变量对所述过渡点集合进行转换，得到转换后的过渡点集合；
[0026]在所述第二参变量满足预设参变量条件的情况下，根据所述预设参变量条件和所述转换后的过渡点集合，生成所述避障平面上的边界点集，其中，所述预设参变量条件是根据顶点坐标在所述避障平面坐标系中的竖坐标和所述切点圆形区域在所述避障平面坐标系中的竖坐标确定的。
[0027]根据本公开的实施例，所述根据所述边界点集和离散后的第一参变量，确定所述无人机在所述避障平面坐标系中朝向所述目标点的速度量，包括：
[0028]根据所述目标点位置向量和所述旋转角度，得到所述目标点在所述避障平面坐标系中的避障坐标；
[0029]基于预设离散规则对所述第一参变量进行离散处理，得到所述离散后的第一参变量；
[0030]根据所述边界点集、所述离散后的第一参变量和所述避障坐标，生成所述朝向所述目标点的速度量。
[0031]根据本公开的实施例，所述目标速度分量包括第一速度分量；
[0032]其中，所述基于所述无人机与所述障碍物的距离位于预设位置范围，根据所述第三旋转矩阵、所述速度量和所述径向速度中的至少一个，生成所述无人机避开所述障碍物飞向所述目标点的目标速度分量，包括：
[0033]根据所述旋转角度生成所述第三旋转矩阵；
[0034]在所述无人机与所述障碍物的距离位于预设位置范围内的情况下，根据所述第三旋转矩阵、所述速度量和所述径向速度，生成所述第一速度分量。
[0035]根据本公开的实施例，所述目标速度分量还包括第二速度分量和/或第三速度分量；
[0036]其中，所述基于所述无人机与所述障碍物的距离位于预设位置范围，根据所述第三旋转矩阵、所述速度量和所述径向速度中的至少一个，生成所述无人机避开所述障碍物飞向所述目标点的目标速度分量，还包括：
[0037]在所述无人机与所述障碍物的距离小于预设位置范围内的情况下，根据所述径向速度，生成第二目标速度分量；
[0038]在所述无人机与所述障碍物的距离大于预设位置范围内的情况下，根据所述第三旋转矩阵和所述速度量，生成第三目标速度分量。
[0039]根据本公开的实施例，在生成所述目标速度分量之后，还包括：
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种无人机的三维速度避障方法，包括：根据所述无人机的位置信息和障碍物的位置速度信息，分别构建惯性坐标系、无人机的机体坐标系、所述障碍物的球形保护区域和切点圆形区域，其中，所述切点圆形区域表征从所述无人机的位置信息发出且与所述球形保护区域相切的切点所构成的圆形区域；根据预设斥力势场的中心和所述球形保护区域，生成势场模型，并在所述障碍物的位置信息在所述机体坐标系中的位置向量的模满足预设条件的情况下，基于所述势场模型生成径向速度；根据预设碰撞锥在所述机体坐标系的顶点坐标和第一旋转矩阵，得到点集合，其中，所述第一旋转矩阵用于将锥坐标系转换为所述机体坐标系，所述锥坐标系是基于预设旋转规则对所述机体坐标系进行旋转得到的，所述点集合表征从所述无人机的位置信息发出且与所述球形保护区域相切的多个射线在所述碰撞锥的锥侧面形成的多个点的集合；根据目标点在机体坐标系中的位置信息和避障平面的旋转角度，确定第二旋转矩阵，并基于所述第二旋转矩阵，利用第一参变量对所述顶点坐标、所述切点圆形区域和所述点集合进行处理，得到避障平面上的边界点集，其中，所述第二旋转矩阵用于将避障平面坐标系转换到所述机体坐标系；根据所述边界点集和离散后的第一参变量，确定所述无人机在所述避障平面坐标系中朝向所述目标点的速度量；基于所述无人机与所述障碍物的距离位于预设位置范围，根据第三旋转矩阵、所述速度量和所述径向速度中的至少一个，生成所述无人机避开所述障碍物飞向所述目标点的目标速度分量，其中，所述第三旋转矩阵是根据所述旋转角度生成的用于将所述机体坐标系转换为所述避障平面坐标系。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机体坐标系与所述惯性坐标系的坐标系方向相同，所述机体坐标系的原点为所述无人机的位置信息，所述预设位置范围是根据所述球形保护区域的保护半径和所述预设斥力势场的势场半径确定的。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述锥坐标系是基于预设旋转规则对所述机体坐标系进行旋转得到的，包括：对所述机体坐标系绕竖轴旋转第一转动角度，得到过渡坐标系；对所述过渡坐标系绕纵轴旋转第二转动角度，得到所述锥坐标系；其中，所述第一旋转矩阵是根据第一参变量、所述第一转动角度和所述第二转动角度生成的。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据预设碰撞锥在所述机体坐标系的顶点坐标和第一旋转矩阵，得到点集合，包括：利用所述第一参变量处理所述切点圆形区域，得到处理后的切点圆形区域；根据所述处理后的切点圆形区域、所述顶点坐标和第二参变量，生成所述点集合。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据目标点在机体坐标系中的位置信息和避障平面的旋转角度，确定第二旋转矩阵，并基于所述第二旋转矩阵，利用第一参变量对所述顶点坐标、所述切点圆形区域和所述点集合进行处理，得到避障平面上的边界点集，包括：对所述目标点的位置信息在所述机体坐标系中进行向量转换，得到目标点位置向量，其中，所述目标点位置向量包括纵坐标分量和竖坐标分量；
根据所述纵坐标分量和所述竖坐标分量，生成所述避障平面的旋转角度；根据所述旋转角度生成所述第二旋转矩阵；基于所述第二旋转矩阵和所述第一参变量，将所述顶点坐标、所述切点圆形区域和所述点集合分别转换在所述避障平面坐标系中，得到过渡顶点坐标、过渡切点圆形区域和过渡点集合；基于所述过渡顶点坐标、所述过渡切点圆形区域和第二参变量对所述过渡点集合进行转换，得到转换后的过渡点集合；在所述第二参变量满足预设参变量条件的情况下，根据所述预设参变量条件和所述转换后的过渡点集合，生成所述避障平面上的边界点集，其中，所述预设参变量条件是根据顶点坐标在所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲜斌，王印鑫，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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