[發(fā)明專利]一種無人機任意圖形禁飛區(qū)識別導航系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711030877.5
• 申請日: 2017-10-30
• 公開（公告）號: CN107911793B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發(fā)明（設計）人: 蔣睿;蘇家琰
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W4/024
• 分類號: H04W4/024;H04W4/48;G01C21/20;G01S19/42;G06F16/29
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 劉莎

1.一種無人機任意圖形禁飛區(qū)識別導航系統(tǒng)，其特征在于，包括無人機定位導航模塊(1)、飛控中心模塊(2)、調度中心模塊(3)、中間接口模塊(4)、監(jiān)控模塊(5)、WebService模塊(6)以及Oracle數據庫模塊(7)；其中：無人機定位導航模塊(1)與飛控中心模塊(2)相連；監(jiān)控模塊(5)通過中間接口模塊(4)與WebService模塊(6)和調度中心模塊(3)分別連接；飛控中心模塊(2)與調度中心模塊(3)相連；飛控中心模塊(2)、調度中心模塊(3)和WebService模塊(6)分別與Oracle數據庫模塊(7)進行數據交互；

所述的無人機定位導航模塊(1)包括飛控中心接口模塊(1-1)、接收數據解析模塊(1-2)、發(fā)送數據解析模塊(1-3)、GPS定位模塊(1-4)、數據處理模塊(1-5)、數據存儲模塊(1-6)、禁飛區(qū)圖形判別模塊(1-7)、禁飛區(qū)路由算法模塊(1-8)以及無人機控制模塊(1-9)；

所述的飛控中心接口模塊(1-1)包括飛控中心數據接收模塊(1-1-1)和飛控中心數據發(fā)送模塊(1-1-2)，采用TCP/IP協(xié)議進行數據傳輸；所述的飛控中心數據接收模塊(1-1-1)接收飛控中心模塊(2)發(fā)送的指令信息，將指令信息由ASCII碼轉換為無人機終端二進制碼，并發(fā)送給接收數據解析模塊(1-2)；所述的飛控中心數據發(fā)送模塊(1-1-2)，接收發(fā)送數據解析模塊(1-3)解析的數據指令信息，將數據指令信息由無人機終端二進制碼轉換為ASCII碼，并發(fā)送到飛控中心模塊(2)；

所述的接收數據解析模塊(1-2)，接收從飛控中心數據接收模塊(1-1-1)發(fā)送的無人機終端二進制碼指令信息，根據無人機產商提供的通信協(xié)議，將無人機終端二進制碼指令信息解析為相應的數據指令信息，發(fā)送給數據處理模塊(1-5)；

所述的發(fā)送數據解析模塊(1-3)，接收數據處理模塊(1-5)分類后的數據指令信息，根據無人機產商提供的通信協(xié)議，將分類后的數據指令信息以無人機終端二進制碼的編碼格式進行編碼，并發(fā)送給飛控中心數據發(fā)送模塊(1-1-2)；

所述的GPS定位模塊(1-4)，接收北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的GPS信息，轉換為無人機終端二進制碼，發(fā)送給數據處理模塊(1-5)；

所述的數據處理模塊(1-5)，接收GPS定位模塊(1-4)和接收數據解析模塊(1-2)的GPS信息和數據指令信息并進行分類，分為上行信息和下行信息，其中，上行信息為無人機定位導航模塊(1)發(fā)送到監(jiān)控模塊(5)的數據指令信息，包括響應信息、警報類信息和GPS信息；下行信息為監(jiān)控模塊(5)發(fā)送到無人機定位導航模塊(1)的數據指令信息；將下行信息發(fā)送到數據存儲模塊(1-6)，將上行信息發(fā)送至發(fā)送數據解析模塊(1-3)；

所述的數據存儲模塊(1-6)，接收數據處理模塊(1-5)分類的下行信息，存儲到無人機緩存中，當監(jiān)控模塊(5)發(fā)送禁飛區(qū)指令信息時，數據存儲模塊(1-6)將禁飛區(qū)頂點經緯度信息、實時GPS信息發(fā)送至禁飛區(qū)圖形判別模塊(1-7)；

所述的禁飛區(qū)圖形判別模塊(1-7)接收數據存儲模塊(1-6)的上行信息，設定告警區(qū)域，并進行告警區(qū)位置判別，將判別結果以及警報類信息發(fā)送至數據存儲模塊(1-6)；

所述的禁飛區(qū)路由算法模塊(1-8)，接收數據存儲模塊(1-6)中的禁飛告警信息，執(zhí)行越界趨勢判斷和禁飛航跡規(guī)劃，確保無人機駛離禁飛區(qū)；

所述的無人機控制模塊(1-9)，接收數據存儲模塊(1-6)的航跡規(guī)劃路線，控制無人機以當前速度和規(guī)劃路線飛行并回到安全區(qū)域；

所述的禁飛區(qū)圖形判別模塊(1-7)根據禁飛區(qū)的經緯度信息采用多邊形內縮法設定告警區(qū)域，多邊形內縮法即為：將多邊形的各邊沿著各邊法線方向向內平移一定距離，依次連接平移后各邊與相應頂點的角平分線的交點，構成內縮多邊形，具體為：

設任意圖形禁飛區(qū)頂點為A[1]A[2]A[3]...A[n]，內縮后的多邊形頂點為A[1]'A[2]'A[3]'...A[n]'，則任一內縮多邊形的頂點A[i]'通過以下步驟確定：第一，作A[i-1]A[i]A[i+1]的角平分線I[i]；第二，根據A[i-1]、A[i]、A[i+1]的坐標求出角A[i-1]A[i]A[i+1]的大小θ，θ<180°；第三，以d/sin(θ/2)為半徑以A[i]為圓心作圓交I[i]于B[i]，則B[i]即為A[i]’，d為多邊形內縮法中向內平移的距離，該距離可由監(jiān)控模塊(5)設定；

所述的禁飛區(qū)圖形判別模塊(1-7)采用水平射線交點法進行告警區(qū)位置判別，具體為：

第一，判斷無人機當前位置點A是否與多邊形告警區(qū)域的頂點重合，若重合則判定無人機在多邊形告警區(qū)域的內部；第二，若點A不與多邊形頂點重合，則以點A為起點向左作一條水平射線；第三，將多邊形告警區(qū)域的各邊以有向線段的形式保存，若有向線段與水平射線平行或重合則刪除該有向線段，根據經緯度位置判斷剩余有向線段與水平射線是否有交點，并統(tǒng)計交點個數；第四，若統(tǒng)計得到的交點個數為奇數則判定無人機在多邊形告警區(qū)域的內部，否則判定無人機在多邊形告警區(qū)域的外部；

所述的禁飛區(qū)路由算法模塊(1-8)的越界趨勢判斷過程為：第一，假設任意圖形禁飛區(qū)的邊界是逆時針的有向線段，無人機進入某告警區(qū)域塊后，固定時間間隔判斷飛行方向與邊的向量積，若向量積是正數則禁飛航跡規(guī)劃為朝有向線段正方向轉彎，否則朝有向線段負方向轉彎；第二，接收數據存儲模塊(1-6)的實時GPS信息，在無人機前進方向，與轉彎方向同側，作圓使得圓與無人機前進方向所在直線相切，所作圓的半徑r根據公式v＝2πrn得到，其中，v為無人機線速度，n為發(fā)動機轉速；第三，若該圓與此區(qū)域塊及相鄰區(qū)域塊的線段有交點，則無人機會駛入禁飛區(qū)，需執(zhí)行禁飛航跡規(guī)劃；

禁飛航跡規(guī)劃包括兩種情況：第一，若航跡規(guī)劃過程中，無人機前進方向與當前區(qū)域塊的內多邊形所在邊的方向向量垂直，此時無人機不再沿圓軌跡前進，而是沿圓切線方向飛行，直至進入內多邊形安全區(qū)域，然后停止執(zhí)行航跡規(guī)劃；第二，若航跡規(guī)劃過程中，前進方向未與當前區(qū)域塊的內多邊形所在邊的方向向量垂直，而已經回到內部安全區(qū)域，則在回到安全區(qū)域后自動停止執(zhí)行航跡規(guī)劃；該航跡規(guī)劃的路線，以二進制碼的形式，發(fā)送給數據存儲模塊(1-6)。