低空巡检无人机飞行避障方法及系统与流程

本发明涉及无人机避障，尤其涉及一种低空巡检无人机飞行避障方法及系统。

背景技术：

1、巡检无人机部署在野外环境中，主要在作业现场无人值守时对作业现场进行巡检，可以节省通勤成本，巡检无人机进行低空巡检时会遇到诸如其他无人机、风筝、气球、起飞或降落状态的大型飞机、鸟类等障碍物。

2、目前，国内外关于无人机避障方面已有广泛的研究，一般依赖于三维高程地图、双目摄像机以及其他高精度设备来实现，例如专利公开号：cn108062109a，公开日：2018年05月22日，发明创造名称为：无人机避障方法，该申请案公开了一种无人机避障方法，包括：s1：在无人机上安装激光器及卫星定位接收机；s2：无人机飞行过程中，通过激光器采集无人机周围的障碍物信息；s3：将三维地图库导入无人机的信息处理模块，将采集的障碍物信息进行坐标转换，并在三维地图库中搜索出目标区域的三维地图；s4：根据目标区域的三维地图，重新规划飞行路线，实现无人机自主避障。该申请案的目的在于克服现有无人机避障技术难以准确自主避障的不足，提供了一种能够准确自主避障的无人机避障方法。

3、然而，无人机避障涉及多条因素，包括无人机避障时的速度调整与方向调整、无人机避障时的路线规划等，上述无人机避障方法的申请案显然对巡检无人机的速度调整与方向调整的考虑不足，其次，上述无人机避障方法的申请案基于三维地图来实现无人机避障时的路线规划，这种方式在受到自然因素如大雾天气时，不能够及时检测前方障碍物，再接近障碍物再检测时往往来不及躲避障碍物，最后，仅依靠三维地图进行路线规划的方式灵活性不足，跟地面导航原理类似，在遇到突发障碍物时，如地面坍塌，依靠三维地图中固定路线来行驶的方式灵活性不足，且空中路线与地面路线不同，大多数空中可行驶的路线较为灵活，并不像地面一样沿着固定车道行走，相比较于地面路线，控制路线的灵活性与随机性较大，这就要巡检无人机避障时具备足够的避障灵活性。

4、因此，如何设计一种新型的无人机避障方法以实现灵活自主避障，是现有技术中亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种低空巡检无人机飞行避障方法及系统，可以设计一种新型的无人机避障方法以实现灵活自主避障。

2、第一方面，本发明提供了一种低空巡检无人机飞行避障方法，包括：

3、采集巡检无人机的待避障物体，其中，所述待避障物体包括非自由飞行障碍与自由飞行障碍，采集所述非自由飞行障碍的航线信息，利用所述航线信息识别所述巡检无人机的飞行区域，在所述飞行区域内飞行所述巡检无人机之后，利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内是否存在所述待避障物体；

4、在利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内存在所述待避障物体时，采集所述待避障物体处的风向与风速，在所述巡检无人机中检测所述待避障物体的飞行方向与飞行速度，利用所述风向、所述风速、所述飞行方向及所述飞行速度识别所述待避障物体是否为所述非自由飞行障碍；

5、在识别所述待避障物体为所述非自由飞行障碍时，查询所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的无人机-非自由障碍距离，分别计算所述巡检无人机的无人机范围与所述非自由飞行障碍的障碍范围；

6、利用所述无人机范围与所述障碍范围设置所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的安全距离，基于所述无人机-非自由障碍距离与所述安全距离，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障，得到第一飞行避障结果；

7、在识别所述待避障物体不为所述非自由飞行障碍时，利用所述风向与所述风速生成所述自由飞行障碍的飞行路径，根据所述飞行路径，利用所述巡检无人机对所述自由飞行障碍进行第二飞行避障，得到第二飞行避障结果；

8、将所述第一飞行避障结果与所述第二飞行避障结果作为所述巡检无人机的飞行避障结果。

9、在第一方面的一种可能实现方式中，所述在所述飞行区域内飞行所述巡检无人机，包括：

10、查询所述巡检无人机的航行路线是否处于所述飞行区域内；

11、在所述巡检无人机的航行路线未处于所述飞行区域内时，提取所述巡检无人机的航行路线未处于所述飞行区域内的第一目标点；

12、根据所述航行路线与所述第一目标点，利用下述公式计算所述巡检无人机的避障触发点：

13、a≤t≤b

14、xa(t)≤x(t)≤xb(t)

15、ya(t)≤y(t)≤yb(t)

16、za(t)≤z(t)≤zb(t)

17、

18、其中，(xa(t),ya(t),za(t))表示避障触发点，l表示航行路线中从避障触发点至第一目标点的路线长度，x(t)表示航行路线中从避障触发点至第一目标点的路线在x轴上的曲线参数方程，y(t)表示航行路线中从避障触发点至第一目标点的路线在y轴上的曲线参数方程，z(t)表示航行路线中从避障触发点至第一目标点的路线在z轴上的曲线参数方程，xa(t)表示避障触发点在x轴上的值，ya(t)表示避障触发点在y轴上的值，za(t)表示避障触发点在z轴上的值，xb(t)表示第一目标点在x轴上的值，yb(t)表示第一目标点在y轴上的值，zb(t)表示第一目标点在z轴上的值，t表示受x(t)、y(t)、z(t)约束的自变量，a表示受xa(t)、ya(t)、za(t)约束的值，b表示受xb(t)、yb(t)、zb(t)约束的值，t0表示巡检无人机在遇到障碍物时完成180度的转向所需要的时长，v0表示巡检无人机的平均飞行速度；

19、利用所述避障触发点对所述航行路线进行路线规划，得到规划路线；

20、计算所述规划路线与所述航行路线之间的路线相似度；

21、基于所述路线相似度，从所述规划路线中确定所述巡检无人机的最终路线；

22、在所述最终路线上飞行所述巡检无人机。

23、在第一方面的一种可能实现方式中，所述利用所述避障触发点对所述航行路线进行路线规划，得到规划路线，包括：

24、获取所述航行路线的起始点与终止点；

25、从所述避障触发点开始搜索所述避障触发点周边的坐标点及所述坐标点周边的其他坐标点；

26、直至搜索到的所述坐标点与所述其他坐标点中存在所述终止点时，利用所述坐标点与所述其他坐标点生成所述避障触发点至所述终止点之间的初始路线；

27、按照从所述终止点开始至所述避障触发点结束的顺序，从所述初始路线上查询是否存在与所述航行路线一致的第一路线；

28、在所述初始路线上查询存在与所述航行路线一致的第一路线时，获取所述初始路线上除所述第一路线之外的第二路线，并获取所述航行路线上属于所述起始点与所述避障触发点之间的第三路线；

29、依次拼接所述第三路线、所述第二路线及所述第一路线，得到所述规划路线。

30、在第一方面的一种可能实现方式中，所述利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内是否存在所述待避障物体，包括：

31、利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内是否存在物体；

32、在利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内存在物体时，识别所述物体的物体坐标、物体方向与物体速度；

33、利用所述物体坐标、所述物体方向及所述物体速度构建所述物体的物体运动轨迹曲线；

34、构建所述巡检无人机的无人机运动轨迹曲线；

35、判断是否可以计算所述物体运动轨迹曲线与所述无人机运动轨迹曲线之间的曲线交点；

36、在可以计算所述物体运动轨迹曲线与所述无人机运动轨迹曲线之间的曲线交点时，判定所述飞行区域内存在所述待避障物体；

37、在不可以计算所述物体运动轨迹曲线与所述无人机运动轨迹曲线之间的曲线交点时，判定所述飞行区域内不存在所述待避障物体。

38、在第一方面的一种可能实现方式中，所述利用所述风向、所述风速、所述飞行方向及所述飞行速度识别所述待避障物体是否为所述非自由飞行障碍，包括：

39、查询所述风向的风向转折时段与所述飞行方向的方向转折时段；

40、利用下述公式构建所述风速与所述飞行速度之间的相关函数：

41、y＝kx+b

42、其中，y＝kx+b表示相关函数，y表示飞行速度，x表示风速，b表示在y轴上的截距，k表示斜率；

43、在所述相关函数中斜率大于预设斜率且所述风向转折时段与所述方向转折时段一致时，判定所述待避障物体不为所述非自由飞行障碍；

44、在所述相关函数中斜率不大于预设斜率、所述风向转折时段与所述方向转折时段不一致时，判定所述待避障物体为所述非自由飞行障碍。

45、在第一方面的一种可能实现方式中，所述分别计算所述巡检无人机的无人机范围与所述非自由飞行障碍的障碍范围，包括：

46、查询所述巡检无人机的中心坐标点；

47、识别所述巡检无人机表面上的表面坐标点；

48、在所述中心坐标点与所述表面坐标点之间的第一坐标点距离最大时；

49、将以所述中心坐标点为球心，以所述第一坐标点距离为球半径的球体作为所述无人机范围；

50、在所述巡检无人机中获取所述非自由飞行障碍表面上的的边缘坐标点；

51、利用所述边缘坐标点计算所述非自由飞行障碍的形心坐标点；

52、在所述形心坐标点与所述边缘坐标点之间的第二坐标点距离最大时；

53、将以所述形心坐标点为球心，以所述第二坐标点距离为球半径的球体作为所述障碍范围。

54、在第一方面的一种可能实现方式中，所述利用所述无人机范围与所述障碍范围设置所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的安全距离，包括：

55、获取所述巡检无人机完成转向的最大时长；

56、根据所述最大时长、所述无人机范围及所述障碍范围，利用下述公式计算所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的安全距离：

57、l'＝t0v0+r1+r2

58、其中，l'表示所述安全距离，t0表示巡检无人机在遇到障碍物时完成180度的转向所需要的时长，巡检无人机在遇到障碍物时完成180度的转向所需要的时长为所述最大时长，v0表示巡检无人机的平均飞行速度，r1表示所述无人机范围对应的球半径，r2表示所述障碍范围对应的球半径。

59、在第一方面的一种可能实现方式中，所述基于所述无人机-非自由障碍距离与所述安全距离，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障，得到第一飞行避障结果，包括：

60、判断所述无人机-非自由障碍距离是否小于所述安全距离；

61、在所述无人机-非自由障碍距离不小于所述安全距离时，判断所述无人机-非自由障碍距离是否大于所述安全距离；

62、在所述无人机-非自由障碍距离不大于所述安全距离时，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行当前第一飞行避障，得到当前第一飞行避障结果；

63、在所述无人机-非自由障碍距离大于所述安全距离时，计算所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障时的避障速度与避障方向；

64、根据所述避障速度与所述避障方向，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行复杂第一飞行避障，得到复杂第一飞行避障结果；

65、在所述无人机-非自由障碍距离小于所述安全距离时，在所述无人机-非自由障碍距离小于所述安全距离时，根据预设的pid控制器算，得到简单第一飞行避障结果。

66、在第一方面的一种可能实现方式中，所述计算所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障时的避障速度与避障方向，包括：

67、利用下述公式构建所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障时的目标函数；

68、

69、

70、

71、

72、minjx(k),u(k)＝minl1(x(k))+l2(u(k))+l2(δu(k))+l3(x(k))

73、其中，minjx(k),u(k)表示目标函数，x(k)表示巡检无人机的飞行状态，x(k)包括速度与方向，u(k)表示巡检无人机的控制输入值，δu(k)表示巡检无人机的控制输入值的变化量，l1(x(k))表示巡检无人机的当前坐标与规划路线上对应坐标之间的误差参数，x1(k)表示k时刻下巡检无人机在规划路线上对应的坐标，w1表示l1(x(k))中待利用目标函数优化的权重参数，l2(u(k))表示保障巡检无人机以较小的控制输入值进行飞行的约束参数，w2表示l2(u(k))中待利用目标函数优化的权重参数，l2(δu(k))表示保障巡检无人机的控制输入值的变化量平滑的约束参数，w3表示l2(δu(k))中待利用目标函数优化的权重参数，l3(x(k))表示保障巡检无人机与非自由飞行障碍之间保持安全距离的约束参数，zj表示第j个非自由飞行障碍的坐标，x2(k)表示重新规划的路线上对应的坐标，w4表示l3(x(k))中待利用目标函数优化的权重参数，m表示非自由飞行障碍的总数，i表示巡检无人机的序号，n表示巡检无人机的总数，j表示非自由飞行障碍的序号；

74、在目标函数的值最小时，获取所述目标函数中的目标速度与目标方向；

75、将所述目标速度与所述目标方向作为所述避障速度与所述避障方向。

76、第二方面，本发明提供了一种低空巡检无人机飞行避障系统，所述系统包括：

77、物体检测模块，用于采集巡检无人机的待避障物体，其中，所述待避障物体包括非自由飞行障碍与自由飞行障碍，采集所述非自由飞行障碍的航线信息，利用所述航线信息识别所述巡检无人机的飞行区域，在所述飞行区域内飞行所述巡检无人机之后，利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内是否存在所述待避障物体；

78、障碍识别模块，用于在利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内存在所述待避障物体时，采集所述待避障物体处的风向与风速，在所述巡检无人机中检测所述待避障物体的飞行方向与飞行速度，利用所述风向、所述风速、所述飞行方向及所述飞行速度识别所述待避障物体是否为所述非自由飞行障碍；

79、范围计算模块，用于在识别所述待避障物体为所述非自由飞行障碍时，查询所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的无人机-非自由障碍距离，分别计算所述巡检无人机的无人机范围与所述非自由飞行障碍的障碍范围；

80、第一避障模块，用于利用所述无人机范围与所述障碍范围设置所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的安全距离，基于所述无人机-非自由障碍距离与所述安全距离，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障，得到第一飞行避障结果；

81、第二避障模块，用于在识别所述待避障物体不为所述非自由飞行障碍时，利用所述风向与所述风速生成所述自由飞行障碍的飞行路径，根据所述飞行路径，利用所述巡检无人机对所述自由飞行障碍进行第二飞行避障，得到第二飞行避障结果；

82、结果确定模块，用于将所述第一飞行避障结果与所述第二飞行避障结果作为所述巡检无人机的飞行避障结果。

83、与现有技术相比，本方案的技术原理及有益效果在于：

84、本发明实施例通过在所述飞行区域内飞行所述巡检无人机，以用于在所述巡检无人机起飞前，将所述巡检无人机的航线矫正为规避所述非自由飞行障碍的航线，并且利用搜索树的方式搜寻避障路线，代替了原本使用三维地图生成路线的方式，赋予了所述巡检无人机避障的灵活性，进一步地，本发明实施例通过利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内是否存在所述待避障物体，以用于在发现障碍物时，并不立即将障碍物作为所述待避障物体，而是在检测障碍物的航行是否会影响巡检无人机的航行之后将障碍物作为所述待避障物体，进一步地，本发明实施例通过利用所述风向、所述风速、所述飞行方向及所述飞行速度识别所述待避障物体是否为所述非自由飞行障碍，以用于针对所述非自由飞行障碍与所述自由飞行障碍规划不同的避障路线，提升无人机避障的灵活性，本发明实施例通过利用所述无人机范围与所述障碍范围设置所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的安全距离，以用于在无人机与障碍物达到安全距离时自动触发无人机的避障功能，进一步地，本发明实施例通过基于所述无人机-非自由障碍距离与所述安全距离，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障，以用于在巡检无人机触发避障功能时自动矫正所述巡检无人机的飞行速度与飞行方向，并且在遇到紧急近距离障碍物时及时躲避障碍物，本发明实施例通过根据所述飞行路径，利用所述巡检无人机对所述自由飞行障碍进行第二飞行避障，以用于对于飞行路线不固定的障碍物加大避障安全距离。因此，本发明实施例提出的一种低空巡检无人机飞行避障方法及系统，可以设计一种新型的无人机避障方法以实现灵活自主避障。

技术特征：

1.一种低空巡检无人机飞行避障方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述飞行区域内飞行所述巡检无人机，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述避障触发点对所述航行路线进行路线规划，得到规划路线，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述巡检无人机检测所述飞行区域内是否存在所述待避障物体，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述风向、所述风速、所述飞行方向及所述飞行速度识别所述待避障物体是否为所述非自由飞行障碍，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别计算所述巡检无人机的无人机范围与所述非自由飞行障碍的障碍范围，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述无人机范围与所述障碍范围设置所述巡检无人机与所述非自由飞行障碍之间的安全距离，包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述无人机-非自由障碍距离与所述安全距离，利用所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障，得到第一飞行避障结果，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算所述巡检无人机对所述非自由飞行障碍进行第一飞行避障时的避障速度与避障方向，包括：

10.一种低空巡检无人机飞行避障系统，其特征在于，所述系统包括：

技术总结
本发明涉及无人机避障技术领域，揭露一种低空巡检无人机飞行避障方法及系统，方法包括：在飞行区域内飞行巡检无人机，利用巡检无人机检测飞行区域内是否存在待避障物体；在巡检无人机中检测待避障物体的飞行方向与飞行速度，识别待避障物体是否为非自由飞行障碍；查询巡检无人机与非自由飞行障碍之间的无人机‑非自由障碍距离，计算巡检无人机的无人机范围与非自由飞行障碍的障碍范围；设置巡检无人机与非自由飞行障碍之间的安全距离，利用巡检无人机对非自由飞行障碍进行第一飞行避障；利用风向与风速生成自由飞行障碍的飞行路径，利用巡检无人机对自由飞行障碍进行第二飞行避障。本发明可以设计一种新型的无人机避障方法以实现灵活自主避障。

技术研发人员：李江黎,罗锦宏,何有祝,文磊
受保护的技术使用者：航翼（深圳）无人机科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23