[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

本發明涉及一種面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法，將其應用在四旋翼無人機飛行過程中，從而使四旋翼無人機在陌生環境中檢測出障礙物目標類型的情況下，快速做出相應的規避動作。通過搭載各種傳感器和數據傳輸設備，實現四旋翼無人機與虛擬場景中孿生無人機進行實時高效交互，達到了一定程度上的時空一致性，可以準確的映射出真實四旋翼無人機的飛行狀態；在地面計算機中引入包含高效目標檢測算法與避障算法的數字孿生平臺，實現高精度的人機交互，實現多傳感器融合進行信息處理，達到遠程高精度處理無人機信息，實現四旋翼無人機安全、快速的避障，使得無人機更加高效。

技術領域

本發明屬于數字孿生技術和無人機領域，涉及一種面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法。

背景技術

四旋翼無人飛行器是一種外形小巧，性能優越的垂直起降無人飛行器，具有結構簡單、操作靈活、帶載能力強等特點，具有重要的軍事和民用價值。四旋翼無人機可以使用遙控器進行手動飛行，也可以使用地面站和MAVSDK等高級應用程序接口實現定點懸停和固定航跡飛行。由于其能夠搭載各種設備抵達復雜區域完成人力難以完成的任務，多旋翼無人機被廣泛地應用于軍事和民用領域，比如高空巡檢、森林火警偵查，以及救災物資投運等。在四旋翼無人機的飛行過程中，面對特定的目標偵察任務需要精度高速度快的目標檢測算法給與支撐，另外如何對飛行路徑上的障礙物實現避障也是需要解決的問題。

隨著計算機仿真技術的發展，有關環境和無人機建模的手段也越來越成熟。為了實現對無人機飛行過程的實時監控和預測，許多學者開始采用數字孿生的方法。數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。利用數字孿生技術對飛行環境進行建模，構建環境數字孿生平臺，可以精確分析環境對無人機飛行的影響；利用數字孿生技術對四旋翼無人機進行建模，構建四旋翼無人機孿生體，可以精確跟蹤無人機的飛行狀態和安全。

雖然目前很多目標檢測算法和避障算法實驗驗證中取得了非常好的效果，但是這些都是在現實的環境下進行的無人機航拍目標檢測和避障，而且存在避障效果差，低空目標檢測算法仿真場景搭建難等問題。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種面向數字孿生的四旋翼無人機目標檢測與避障方法，利用數字孿生技術完成數字孿生平臺搭建并在地面端操控四旋翼無人機進行特定目標檢測和避障。

技術方案

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：