[發明專利]一種基于視覺的無人機編隊感知與規避方法

有效

• 申請號: 201510082625.1
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104656663B
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 朱海鋒;潘泉;呂洋;趙春暉;唐統國;張夷齋;程承;張慶春;姜珊;祝凱旋;席慶彪;劉慧霞
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務所61219
• 代理人: 張瑞琪

1.一種基于視覺的無人機編隊感知與規避方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、通過編隊中每一架無人機上設置的機載視覺傳感器檢測出目標障礙物在其對應的圖像平面坐標系中的位置，推導出目標障礙物對應的相機坐標系到對應的世界坐標系的轉移矩陣M；

根據機載視覺傳感器監測到的目標障礙物的信息，計算出其在圖像平面坐標系中的位置；然后依次計算出目標障礙物在成像平面坐標系中的位置、目標障礙物在相機坐標系中的位置、目標障礙物相對于機體坐標系的位置、目標障礙物在世界坐標系中的位置；其中選用的相機坐標系，采用四元算法進行姿態轉移，以解決姿態轉移中的奇異值問題；

步驟二、選取步驟一中所得的任意兩架機載視覺傳感器得到的目標障礙物對應的相機坐標系到對應的世界坐標系的轉移矩陣M，通過雙目視覺測距的原理，計算出目標障礙物在世界坐標系中的位置；

選取編隊中任意兩架無人機，將由步驟一中所得的對應的目標障礙物的轉移矩陣M建立方程組，通過最小二乘法，計算出目標障礙物在世界坐標系中的位置；

步驟三、在編隊中定義虛擬掌機和虛擬安全區域，由步驟二中所得的目標障礙物在世界坐標系中的位置，計算得出目標障礙物與虛擬掌機及虛擬安全區域的距離，確定目標障礙物是否對虛擬掌機和虛擬安全區域造成威脅；具體過程如下：

3.1.計算出虛擬掌機的位置，其中：P_GC為編隊中心位置， 是第i架無人機的飛行位置；

其中，n為編隊中無人機的架數；i為自然數，且i屬于1，2……n；

3.2.確定虛擬掌機的虛擬安全區域，將虛擬安全區域定義為橢球飛行包絡：

其中，編隊采取安全飛行模式，定義編隊飛行方向為x方向，z軸沿編隊位置向上，y軸滿足右手規則；a為x軸上的長半軸，b為y軸上的短半軸，c為z軸方向上的短半軸，無人機飛行過程中，以飛行安全碰撞時間為長半軸，這樣定義最短碰撞距離d，定義b＝c，選取黃金分割點： 這樣就完成了橢球飛行包絡的定義；

則d_s的方向與編隊飛行方向一致，即編隊速度方向；其中：d_s是飛行的安全距離，R為定制，根據編隊隊形進行系統性定義；D為飛行安全距離；T為飛行安全最短時間；為編隊飛行速度；這樣，當a＝‖d_s‖計算出虛擬掌機的虛擬安全區域，即橢球飛行包絡；

3.3.計算編隊中單架次無人機的飛行安全區域，

對編隊每一架飛機進行飛行安全區域劃分，計算每一架飛機的最小分離距離

當時，為其飛行安全區域；

其中：為目標障礙物的相對運動速度，其中和分別是目標障礙物的運動速度以及單架次無人機的運動速度，定義相對運動速度徑向距離為無人機與目標障礙物的徑向距離；

步驟四、根據步驟三所得的結果，當目標障礙物不對虛擬掌機和虛擬安全區域造成威脅時，編隊保持原航路飛行；

當目標障礙物對虛擬掌機和虛擬安全區域造成威脅時，編隊中相應的無 人機進行規避，完成避撞后，進入原來的編隊，編隊回歸原來的航路。

2.按照權利要求1所述的一種基于視覺的無人機編隊感知與規避方法，其特征在于，所述步驟四中的具體過程如下：

計算由單架次無人機的轉彎半徑：

和單架次無人機的最大轉彎加速度

其中：V_FLN∈(V_min,V_max),a_cent≤A(V_L,R_L,V_max)，V_FLN為單架次無人機的轉彎速度，V_L為單架次無人機在轉彎處左側的速度，R_L為單架次無人機在轉彎處左側的半徑，f是無人機能夠提供的最大推力或側向力矩，A表示函數；

無人機在飛行過程中的速度必須滿足(V_min，V_max)，其中V_min為單架次無人機的最小的速度值，V_max為單架次無人機的最大的速度值；

計算編隊中的單架次無人機由虛擬掌機左側避撞與右側避撞的最大轉彎半徑，要使單架次無人機滿足的飛行要求，通過信息交互，當所有編隊成員具有滿足同一側避撞需求時，即進行無人機編隊同側避撞；當某幾架無人機不能滿足飛行要求時，必須離開編隊，打破原來的隊形，組成獨立的編隊，進行避撞；完成避撞后，打開的獨立編隊重新整合，進入原來的編隊，編隊回歸原來的航路。