[發明專利]一種面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法

在審

• 申請號: 202211635793.5
• 申請日: 2022-12-19
• 公開（公告）號: CN116088567A
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 盧穎;劉津;傅妍芳
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

1.一種面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法，其特征在于：以四旋翼無人機自身搭載的各類傳感器獲取無人機前方障礙物的信息，對接收到的各類傳感器數據進行處理，實現對障礙物類型的檢測和避障；步驟如下：

步驟1、搭建基于虛幻引擎UE的環境模型：以真實體育場的環境和尺寸，在UE中搭建真實體育場的孿生模型；

步驟2、搭建基于AirSim的四旋翼無人機孿生模型：

定義慣性坐標系即靜坐標系—地球坐標系，以及非慣性坐標系即動坐標系—機體坐標系；

對四旋翼無人機進行假設：均勻對稱的剛體、質量和轉動慣量不發生改變、只受重力和螺旋槳拉力以及螺旋槳一條軸為逆時針轉動，另一條軸為順時針轉動；

在AirSim中搭建四旋翼無人機孿生模型：

動力學模型：輸入為螺旋槳提供的拉力和力矩，輸出為四旋翼的速度和角速度；

運動學模型：輸入為動力學模型的輸出，即四旋翼的速度和角速度，輸出為四旋翼的位置和姿態；

步驟3：采用YOLOv5s目標檢測算法，對四旋翼無人機航拍圖像進行目標檢測；

所述YOLOv5s目標檢測算法為改進的YOLOv5目標檢測算法，改進策略為：

1、錨框K-Means算法改為K-Means++；

2、加入小目標檢測層，對較淺特征圖與深特征圖拼接后進行檢測；

3、使用α-IoU損失函數進行測試；

步驟4：四旋翼無人機采用MavLink消息格式和RPC協議與搭建于AirSim的孿生無人機進行通信；四旋翼無人機搭載的PX4飛控將無人機飛行的狀態和位置信息發送搭建于AirSim的孿生無人機的地面計算機，將四旋翼無人機傳感器的數據通過數傳和圖傳發送到數字孿生平臺的四旋翼無人機孿生的運動學模型模型，包括動力學模型的；

步驟5：數字孿生平臺采用步驟3采用YOLOv5s目標檢測算法，對四旋翼無人機航拍圖像進行目標檢測；同時采用基于深度圖像的三位避障算法計算得到避障途徑；數字孿生平臺將避障途徑，通過發送MavLink命令至真實四旋翼無人機，控制真實四旋翼無人機避障。

2.根據權利要求1所述面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法，其特征在于：所述四旋翼無人機運動學模型為：

其中，為三個軸上的平移加速度，表示無人機的滾轉角、俯仰角和偏航角，U₁代表總推力，U₂表示無人機實現滾轉運動時的推力，U₃表示無人機實現俯仰運動時的推力，U₄表示無人機實現偏航運動時的推力。m代表無人機的質量，g為重力加速度，l代表機臂的長度，J代表電機的轉動慣量，I_xx、I_yy、I_zz分別表示x、y、z軸的轉動慣量。p，q，r分別表示四旋翼滾轉角速度、俯仰角速度、偏航角速度。

3.根據權利要求1所述面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法，其特征在于：所述數字孿生模擬端采用UE引擎和AirSim仿真平臺。