CN112764423A - 一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及*** - Google Patents

一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及*** Download PDF

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齐照山
林东峰
陈泓宇
雷洪
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Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及***，获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；根据所述当前姿态信息在预设范围内获取目标信息；对获取的所述目标信息进行标记，并进一步根据所述当前姿态信息以及所述目标信息获取飞行参数信息；所述飞行参数信息包括飞行高度、行的方位、以及飞行的速度；根据所述目标信息、所述待飞行参数信息在所述设定范围内建立所述无人机的飞行轨迹坐标图；控制所述无人机根据所述飞行轨迹坐标图完整飞行作业。依无人机飞行场景特性，在无人机上布置探测器，实时的将无人机飞行场景中地形特点及地形趋势，转换为实时三维地形图，实现无人机根据实时地形变化进行自行调整飞行高度安全飞行。

Description

一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及***
技术领域
本发明涉及钻井仪器技术领域，尤其涉及一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及***。
背景技术
无人机在作业时，需要规划飞行作业区域和飞行路线，然后按照飞行路线在飞行作业区域中飞行并作业。实现的是定高飞行和对周围环境障碍物的识别和实时的避障成为植保无人机智能化发展的必然趋势。由于气象条件的不可控，尤其高温高旱沙尘等恶劣天气下作业的难度大幅提高，对无人机的智能化提出了比较高的要求。
目前，如何在具有居民建筑物、绿化建设、电网设施、通信设施，以及具有无规律活动障碍物在作业环境下，无人机能够智能的依据预设高度，实时避开周围障碍物，这是目前对于无人机的需要面对和解决问题，同时如何实现无死角的作业也是现在无人机作业过程中的一大问题；
基于以上本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及***，依无人机飞行场景特性，在无人机上布置探测器，实时的将无人机飞行场景中地形特点及地形趋势，转换为实时三维地形图，实现无人机根据实时地形变化进行自行调整飞行高度安全飞行。。
本发明提供的技术方案如下：
一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，包括：
获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；根据所述当前姿态信息在预设范围内获取目标信息；对获取的所述目标信息进行标记，并进一步根据所述当前姿态信息以及所述目标信息获取飞行参数信息；所述飞行参数信息包括飞行高度、飞行的方位、以及飞行的速度；根据所述目标信息、所述待飞行参数信息在所述设定范围内建立所述无人机的飞行轨迹坐标图；控制所述无人机根据所述飞行轨迹坐标图完整飞行作业。
进一步优选的，包括：
所述当前姿态信息，以及所述目标信息的获取是基于在所述无人机上设置有多个探测器，并通过所述探测器收发频率信号，进一步根据所述收发频率信号获取所述当前姿态信息；多个所述探测器的安装位置相对于所述无人机的设定位置构成360°。
进一步优选的，获取所述飞行高度包括：
获取各所述探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波时间差；根据所述回波时间差以及当前光速，获取无人机相对于地面以及所述目标信息之间的所述飞行高度。
进一步优选的，获取所述飞行速度包括：
获取各所述探测器在所述预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波频率差；进一步根据所述回波频率差、所述当前光速及所述预设发射工作频率获取所述无人机当前飞行高度达到的所述飞行速度。
进一步优选的，获取所述飞行方位包括：
获取各所述探测器的所述预设发射工作频率对应的波长参数、以及各所述探测器上安装的天线之间的安装距离；根据各天线之间的所述安装距离获取对应的相位差；进一步根据所述波长参数、所述安装距离及所述相位差根据三角函数关系获取所述无人机当前飞行高度上各所述探测器探测的相对角度；根据各所述探测器探测的相对角度计算所述无人机的所述飞行方位。
进一步优选的，包括：
判断所述目标信息为障碍物信息时，在设定的飞行范围内对所述障碍物进行标记；当所述无人机飞行至所述障碍物周围的预设范围内，调整所述无人机的飞行参数；判断所述目标信息为非所述障碍物信息时，所述无人机沿设定飞行轨迹正常飞行。
进一步优选的，调整所述无人机的飞行参数包括：
调整所述无人机的飞行高度；调整所述无人机的飞行方位；调整所述无人机的飞行速度；当所述障碍物为动态障碍物时，还进一步调整无人机为悬停状态，或改变当前的飞行轨迹，进行避障。
一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建***，可执行上述的所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，包括：控制器、多个探测器、无人机本体以及机翼；所述探测器安装于无人机本体以及机翼上，且与所述控制器通信连接；多个探测器的安装角度相对于所述无人机的飞行方位构成360°；在每个所述探测器上安装信号收发的天线；
所述探测器用于获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；
所述控制器包括：数据处理模块，将获取的无人机在飞行过程中的当前姿态信息进行数据运算处理；信息标记模块，并根据处理后所述当前姿态信息在预设范围内获取目标信息，对获取的所述目标信息进行标记，飞行参数获取模块，根据所述当前姿态信息以及所述目标信息获取飞行参数信息；所述飞行参数信息包括飞行高度、飞行的方位、以及飞行的速度；坐标图构建模块，根据所述目标信息、所述待飞行参数信息在设定范围内建立所述无人机的飞行轨迹坐标图；飞行控制模块，所述无人机在所述飞行轨迹坐标图完整飞行作业。
进一步优选的，飞行参数获取模块包括：
飞行高度计算单元，获取各所述探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波时间差；根据所述回波时间差以及当前光速，获取所述无人机相对于地面以及所述目标信息之间的所述飞行高度。
进一步优选的，所述飞行参数获取模块包括：
飞行速度计算单元，获取各所述探测器在所述预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波频率差；进一步根据所述回波频率差、所述当前光速及所述预设发射工作频率获取所述无人机当前飞行高度达到的所述飞行速度。
进一步优选的，所述飞行参数获取模块包括：
飞行方位计算单元，获取各所述探测器的所述预设发射工作频率对应的波长参数、以及各所述探测器上安装的天线之间的安装距离；根据各天线之间的所述安装距离获取对应的相位差；进一步根据所述波长参数、所述安装距离及所述相位差根据三角函数关系获取所述无人机当前飞行高度上各所述探测器探测的相对角度；根据各所述探测器探测的相对角度计算所述无人机的所述飞行方位。
本发明提供的一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及***，至少带来以下一种有益效果如下：
本发明中，在依无人机飞行场景特性，在无人机的机身上安装有多个探测器，实时的将无人机飞行场景中地形特点及地形趋势进行标记，转换为实时飞行轨迹，也即三维地形图，是无人机更大程度的适应不同的飞行场景。
本发明中，对搭建的实时地形趋势，通过控制***控制飞行参数，飞行航迹不仅可以在水平场景中保持等高飞行，在有地形变化时，无人机依然可根据实时地形变化进行自行调整飞行高度安全飞行，确保复杂特殊作业场景中对无人机控制的需求。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法及***的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法一个实施例的结构图；
图2是本发明多旋翼无人机探测器安装的一个实施例的示意图；
图3是本发明多旋翼无人机探测器安装的一个实施例的示意图；
图4是本发明多旋翼无人机飞行轨迹的构建***的一个实施例的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
参考图1所示，本发明提供了一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法的实施例，包括
步骤S100获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；
步骤S200根据当前姿态信息在预设范围内获取目标信息；
步骤S300对获取的目标信息进行标记，并进一步根据当前姿态信息以及目标信息获取飞行参数信息；飞行参数信息包括飞行高度、飞行的方位、以及飞行的速度；
步骤S400根据目标信息、待飞行参数信息在设定范围内建立无人机的飞行轨迹坐标图；
步骤S500控制无人机根据飞行轨迹坐标图完整飞行作业。
进一步优选的，包括：
具体的，当前姿态信息，以及目标信息的获取是基于在无人机上设置有多个探测器，并通过探测器收发频率信号，进一步根据收发频率信号获取当前姿态信息；多个探测器的安装位置相对于无人机的设定位置构成360°。安装多个探测器可以实施例获取飞行的范围内的实况信息，该探测器可以包括雷达探测器，参考图2-图3所示，将雷达探测器安装在无人机不同设定位置，在实施例中给出是探测角度为120°，包括了1-前仿地雷达探测角度120°，2-后仿地雷达探测角度120°，3-定高仿地雷达探测角度120°，故无人机底部1颗和左右2颗雷达76～81GHz毫米波雷达可180°辐射，无死角探测搭建无人机底部地形模型。具体的的雷达探测器的安装位置以及安装数量根据使用的需求进行适应性的调整，只要能够实现无人机在飞行过程中实现无死角的探测既可以；在本实施例中，通过探测器发生一定频率的信号，并接收返回信号，从而可以计算出无人机在飞行过程中的实时姿态信息，根据实时的姿态信息探测既定的范围，根据接收的回波频率差判断目标信息是否为障碍物，或者是将要进入的目标位置等，如果为障碍物需要在构建的飞行轨迹(3D地图)进行标记，以免在飞行过程中影响飞行计划，将飞行过程中探测的对应信息进行分类标记，实时的建立飞行轨迹，因此，本实施例中依无人机飞行场景特性，进行目标的标记，同时实现飞行过程中全方位无死角的探测信息在，实时的将无人机飞行场景中地形特点及地形趋势，转换为实时三维地形图，为无人机的作业提供了准确的飞行基础。
进一步优选的，步骤S300获取飞行高度具体包括：
获取各探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波时间差；根据回波时间差以及当前光速，获取无人机相对于地面以及目标信息之间的飞行高度。
具体的飞行高度的计算通过以下公式完成：R＝(12)C*ΔT---(1)
R--无人机的飞行高度；C--无人机在飞行过程中的光速，ΔT--回波时间差；根据公式(1)具体的实施计算出当前无人机飞行时所处的高度，以便的不同的作业场景下调整其飞行高度。
进一步优选的，步骤S300获取飞行速度具体包括：
获取各探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波频率差；进一步根据回波频率差、当前光速及预设发射工作频率获取无人机当前飞行高度达到的飞行速度。
具体的飞行速度的计算通过以下公式完成：
Figure BDA0002260759660000071
f--f+--发射和接收的回波频率差，fo--预设发射工作频率，C--无人机在飞行过程中的光速，通过公式(2)计算到无人机在飞行过程中的实时的飞行速度，当探测到到达作业区，或者障碍物时实时的调整飞行速度。
进一步优选的，步骤S300获取飞行方位具体包括：
获取各探测器的预设发射工作频率对应的波长参数、以及各探测器上安装的天线之间的安装距离；根据各天线之间的安装距离获取对应的相位差；进一步根据波长参数、安装距离及相位差根据三角函数关系获取无人机当前飞行高度上各探测器探测的相对角度；根据各探测器探测的相对角度计算无人机的飞行方位。
具体的飞行方位的计算通过以下公式完成：
Figure BDA0002260759660000072
λ--预设发射工作频率fo对应的波长参数，Δφ--各天线之间的安装距离获取对应的相位差；l--各探测器上安装的天线之间的安装距离；参考图4中，设计4根接收天线，目标物从天线5返回时，到达每根天线的距离是不一样的，而天线间距根据使用的需求进行设计相应的距离，进一步根据安装距离求取Δφ，可以根据(3)的关系算出目标物的角度。通过公式(3)计算到无人机在飞行过程中的实时的飞行方位，当探测到到达作业区，或者障碍物时实时的调整飞行方位。如果通过无人机应用在农业上，进行药物喷洒，在作业过程中调整及时的方位，能够更加精准的将其农药喷洒在农作物上。
进一步优选的，步骤S200具体包括：
判断目标信息为障碍物信息时，在设定的飞行范围内对障碍物进行标记；当无人机飞行至障碍物周围的预设范围内，调整无人机的飞行参数；判断目标信息为非障碍物信息时，无人机沿设定飞行轨迹正常飞行。
进一步优选的，调整无人机的飞行参数包括：
调整无人机的飞行高度；调整无人机的飞行方位；调整无人机的飞行速度；当障碍物为动态障碍物时，还进一步调整无人机为悬停状态，或改变当前的飞行轨迹，进行避障。
本发明中提供的技术方案，通过设置不同角度的雷达探测器，实现无人机在复杂的地行地貌状态下，进行全方位的测试，避免存在死角，将测试的数据进行运算整合后得到飞行地图，这种飞行地图是实时的，随着飞机飞行环境的变化而变化，可以实现自主进行精准定位，自主切换飞行高度，而不影响其使用的需求。
参考图4所示；本发明提供一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建***的实施例，可执行上述的的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，所述无人机100包括：控制器120、多个探测器110、无人机本体以及机翼；探测器100安装于无人机本体以及机翼上，且与控制器120通信连接；多个探测器的安装角度相对于无人机的飞行方位构成360°；在每个探测器上安装信号收发的天线；
探测器110用于获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；
控制器120包括：数据处理模块121，将获取的无人机在飞行过程中的当前姿态信息进行数据运算处理；信息标记模块122，并根据处理后当前姿态信息在预设范围内获取目标信息，对获取的目标信息进行标记，飞行参数获取模块123，根据当前姿态信息以及目标信息获取飞行参数信息；飞行参数信息包括飞行高度、飞行的方位、以及飞行的速度；坐标图构建模块124，根据目标信息、待飞行参数信息在设定范围内建立无人机的飞行轨迹坐标图；飞行控制模块125，无人机在飞行轨迹坐标图完整飞行作业。
具体的，当前姿态信息，以及目标信息的获取是基于在无人机上设置有多个探测器，并通过探测器收发频率信号，进一步根据收发频率信号获取当前姿态信息；多个探测器的安装位置相对于无人机的设定位置构成360°。安装多个探测器可以实施例获取飞行的范围内的实况信息，该探测器可以包括雷达探测器，参考图2-图3所示，将雷达探测器安装在无人机不同设定位置，在实施例中给出是探测角度为120°，包括了1-前仿地雷达探测角度120°，2-后仿地雷达探测角度120°，3-定高仿地雷达探测角度120°，故无人机底部1颗和左右2颗雷达76～81GHz毫米波雷达可180°辐射，无死角探测搭建无人机底部地形模型。具体的的雷达探测器的安装位置以及安装数量根据使用的需求进行适应性的调整，只要能够实现无人机在飞行过程中实现无死角的探测既可以；在本实施例中，通过探测器发生一定频率的信号，并接收返回信号，从而可以计算出无人机在飞行过程中的实时姿态信息，根据实时的姿态信息探测既定的范围，根据接收的回波频率差判断目标信息是否为障碍物，或者是将要进入的目标位置等，如果为障碍物需要在构建的飞行轨迹(3D地图)进行标记，以免在飞行过程中影响飞行计划，将飞行过程中探测的对应信息进行分类标记，实时的建立飞行轨迹，因此，本实施例中依无人机飞行场景特性，进行目标的标记，同时实现飞行过程中全方位无死角的探测信息在，实时的将无人机飞行场景中地形特点及地形趋势，转换为实时三维地形图，为无人机的作业提供了准确的飞行基础。
进一步优选的，飞行参数获取模块包括：
飞行高度计算单元，获取各探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波时间差；根据回波时间差以及当前光速，获取无人机相对于地面以及目标信息之间的飞行高度。
进一步优选的，飞行参数获取模块包括：
飞行速度计算单元，获取各探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波频率差；进一步根据回波频率差、当前光速及预设发射工作频率获取无人机当前飞行高度达到的飞行速度。
进一步优选的，飞行参数获取模块包括：
飞行方位计算单元，获取各探测器的预设发射工作频率对应的波长参数、以及各探测器上安装的天线之间的安装距离；根据各天线之间的安装距离获取对应的相位差；进一步根据波长参数、安装距离及相位差根据三角函数关系获取无人机当前飞行高度上各探测器探测的相对角度；根据各探测器探测的相对角度计算无人机的飞行方位。
具体的飞行参数的获取，在上述的实施例中已经进行阐述，再次不在进一步的赘述。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，
获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；
根据所述当前姿态信息在预设范围内获取目标信息；
对获取的所述目标信息进行标记，并进一步根据所述当前姿态信息以及所述目标信息获取飞行参数信息；所述飞行参数信息包括飞行高度、飞行的方位、以及飞行的速度；
根据所述目标信息、所述待飞行参数信息在所述设定范围内建立所述无人机的飞行轨迹坐标图；
控制所述无人机根据所述飞行轨迹坐标图完整飞行作业。
2.如权利要求1所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，包括：所述当前姿态信息，以及所述目标信息的获取是基于在所述无人机上设置有多个探测器，并通过所述探测器收发频率信号，进一步根据所述收发频率信号获取所述当前姿态信息；多个所述探测器的安装位置相对于所述无人机的设定位置构成360°。
3.如权利要求2所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，获取所述飞行高度包括：
获取各所述探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波时间差；
根据所述回波时间差以及当前光速，获取所述无人机相对于地面以及所述目标信息之间的所述飞行高度。
4.如权利要求3所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，获取所述飞行速度包括：
获取各所述探测器在所述预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波频率差；
进一步根据所述回波频率差、所述当前光速及所述预设发射工作频率获取所述无人机当前飞行高度达到的所述飞行速度。
5.如权利要求4所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，获取所述飞行方位包括：
获取各所述探测器的所述预设发射工作频率对应的波长参数、以及各所述探测器上安装的天线之间的安装距离；
根据各天线之间的所述安装距离获取对应的相位差；
进一步根据所述波长参数、所述安装距离及所述相位差根据三角函数关系获取所述无人机当前飞行高度上各所述探测器探测的相对角度；
根据各所述探测器探测的相对角度计算所述无人机的所述飞行方位。
6.如权利要求1-5任一所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，包括：判断所述目标信息为障碍物信息时，在设定的飞行范围内对所述障碍物进行标记；
当所述无人机飞行至所述障碍物周围的预设范围内，调整所述无人机的飞行参数；
判断所述目标信息为非所述障碍物信息时，所述无人机沿设定飞行轨迹正常飞行。
7.如权利要求6所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，调整所述无人机的飞行参数包括：
调整所述无人机的飞行高度；
调整所述无人机的飞行方案；
调整所述无人机的飞行速度；
当所述障碍物为动态障碍物时，还进一步调整无人机为悬停状态，或改变当前的飞行轨迹，进行避障。
8.一种多旋翼无人机飞行轨迹的构建***，可执行权利要求1-7任一所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，包括：控制器、多个探测器、无人机本体以及机翼；所述探测器安装于无人机本体以及机翼上，且与所述控制器通信连接；多个探测器的安装角度相对于所述无人机的飞行方位构成360°；在每个所述探测器上安装信号收发的天线；
所述探测器用于获取无人机在飞行过程中的当前姿态信息；
所述控制器包括：
数据处理模块，将获取的无人机在飞行过程中的当前姿态信息进行数据运算处理；
信息标记模块，并根据处理后所述当前姿态信息在预设范围内获取目标信息，对获取的所述目标信息进行标记，
飞行参数获取模块，根据所述当前姿态信息以及所述目标信息获取飞行参数信息；所述飞行参数信息包括飞行高度、飞行的方位、以及飞行的速度；
坐标图构建模块，根据所述目标信息、所述待飞行参数信息在设定范围内建立所述无人机的飞行轨迹坐标图；
飞行控制模块，所述无人机在所述飞行轨迹坐标图完整飞行作业。
9.如权利要求8所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建***，其特征在于，飞行参数获取模块包括：
飞行高度计算单元，获取各所述探测器在预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波时间差；根据所述回波时间差以及当前光速，获取所述无人机相对于地面以及所述目标信息之间的所述飞行高度。
10.如权利要求9所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建方法，其特征在于，所述飞行参数获取模块包括：
飞行速度计算单元，获取各所述探测器在所述预设发射工作频率内的发射信号与接收信号之间的回波频率差；进一步根据所述回波频率差、所述当前光速及所述预设发射工作频率获取所述无人机当前飞行高度达到的所述飞行速度。
11.如权利要求10所述的多旋翼无人机飞行轨迹的构建***，其特征在于，所述飞行参数获取模块包括：
飞行方位计算单元，获取各所述探测器的所述预设发射工作频率对应的波长参数、以及各所述探测器上安装的天线之间的安装距离；根据各天线之间的所述安装距离获取对应的相位差；进一步根据所述波长参数、所述安装距离及所述相位差根据三角函数关系获取所述无人机当前飞行高度上各所述探测器探测的相对角度；根据各所述探测器探测的相对角度计算所述无人机的所述飞行方位。
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