[发明专利]一种轻型无人机自主感知与规避方法

说明书

技术领域

本发明属于航路规划领域，特别是涉及一种轻型无人机在隔离空域超视距飞行自主感知与规避方法。

背景技术

根据《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，在融合空域中运行的大型无人机必须安装无人机感知与规避系统，使大型无人机具备发现与避让的能力，轻型无人机没有强制规定安装无人机感知与规避系统。轻型无人机，是指空机质量大于7 千克，但小于等于116 千克的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于100 千米/小时，升限小于3000 米。轻型无人机使用广泛，需要具备感知与规避能力，在隔离空域作业飞行时与无人机、遥控飞艇可能发生危险接近或相撞。

轻型无人机成本低，采用传统的空中交通警告和防撞系统、广播式自动相关监视等合作型感知规避方法并不适用。采用光学成像系统、雷达探测系统等非合作型自主感知规避方法成为可能，采用雷达探测系统的方法，因轻型无人机成本和载荷的限制，很难实施。采用光学成像系统的感知与规避方法虽受到气象条件的限制，但成本低、便于实施。目前已有基于双目或多目摄像设备的视觉检测无人机防撞系统，通过数据链实时警告地面控制站操作手，通过手动操作防止碰撞，由于无人机与地面站之间的数据传输存在一定的滞后性，即使在发现将要发生碰撞的情况下，无人机操控员指令无人机规避碰撞的能力也会受到一定的限制，没有实现自主感知与规避，其机载设备体积大、重量重、成本高、数据处理复杂，也很难直接应用于轻型无人机。

轻型无人机在隔离空域超视距作业飞行时，空中相撞主要危险来至飞行前向，考虑到轻型无人机载荷、成本等约束条件，实现一种轻型无人机前向自主感知与规避方法。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种轻型无人机自主感知与规避方法。因为空中相撞主要危险来至飞行前向，通过前视单目定焦摄像机获取视频图像，基于视觉感知技术，提出一种自主感知与规避方法。能够在轻型无人机超视距飞行时，解决轻型无人机飞行前向与无人机、飞艇危险接近，发生空中相撞的问题，确保轻型无人机与空中目标（以下简称目标）保持一定的安全飞行间隔。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种基于前视单目定焦摄像机的轻型无人机自主感知与规避方法。首先通过轻型无人机前视单目定焦摄像机采集视频图像，然后利用现有技术通过视频处理识别发现目标，确定目标数量；分别计算目标的像在像直角坐标系内的长度、高度和位置关系；在空间直角坐标系通过小范围机动，确定目标长度；在摄像设备坐标系内确定目标与摄像机相对位置关系、目标运动趋势，最后根据摄像设备坐标系内目标位置和运动趋势判断轻型无人机是否危险接近目标，如危险接近在空间直角坐标系内给出规避方法。具体步骤如下。

步骤一、通过轻型无人机前视单目定焦摄像机采集视频图像。摄像机焦距为f，水平视场角为α，垂直视场角为β。

将摄像机做如下标定，以光心o₁为原点构建摄像机坐标系o₁x₁y₁z₁，光轴为z₁轴，位于轻型无人机的机体左右对称平面内或平行于左右对称平面，轻型无人机定速巡航时z₁轴与地面平行，光轴在机体左右对称平面内的投影与机体轴线夹角为θ₁，z₁轴指向机体前方；x₁轴与z₁轴垂直，指向机体右方；y₁轴垂直x₁轴和z₁轴，指向机体上方。光轴延长线与像平面交点为o；以o点为原点，构建像平面直角坐标系oxy， x轴平行与x₁轴，指向相同；y轴平行于y₁轴，指向相同；oxy平面与o₁x₁y₁平面平行，两平面间距离为f。

步骤二、利用现有技术通过视频处理识别发现目标，确定目标数量，并分别计算目标的像在像直角坐标系内的轮廓，计算出像的长度、高度和像的位置关系，在摄像机坐标系内计算目标与轻型无人机相对位置关系和目标运动趋势。