一种轻型无人机自主感知与规避方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航路规划领域，特别是涉及一种轻型无人机在隔离空域超视距飞行自 主感知与规避方法。
【背景技术】
[0002] 根据《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，在融合空域中运行的大型 无人机必须安装无人机感知与规避系统，使大型无人机具备发现与避让的能力，轻型无人 机没有强制规定安装无人机感知与规避系统。轻型无人机，是指空机质量大于7千克，但小 于等于116千克的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于100千米/小时，升限小于3000 米。轻型无人机使用广泛，需要具备感知与规避能力，在隔离空域作业飞行时与无人机、遥 控飞艇可能发生危险接近或相撞。
[0003] 轻型无人机成本低，采用传统的空中交通警告和防撞系统、广播式自动相关监视 等合作型感知规避方法并不适用。采用光学成像系统、雷达探测系统等非合作型自主感 知规避方法成为可能，采用雷达探测系统的方法，因轻型无人机成本和载荷的限制，很难实 施。采用光学成像系统的感知与规避方法虽受到气象条件的限制，但成本低、便于实施。目 前已有基于双目或多目摄像设备的视觉检测无人机防撞系统，通过数据链实时警告地面控 制站操作手，通过手动操作防止碰撞，由于无人机与地面站之间的数据传输存在一定的滞 后性，即使在发现将要发生碰撞的情况下，无人机操控员指令无人机规避碰撞的能力也会 受到一定的限制，没有实现自主感知与规避，其机载设备体积大、重量重、成本高、数据处理 复杂，也很难直接应用于轻型无人机。
[0004] 轻型无人机在隔离空域超视距作业飞行时，空中相撞主要危险来至飞行前向，考 虑到轻型无人机载荷、成本等约束条件，实现一种轻型无人机前向自主感知与规避方法。
【发明内容】
[0005] 针对上述存在的技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种轻型无人机自 主感知与规避方法。因为空中相撞主要危险来至飞行前向，通过前视单目定焦摄像机获取 视频图像，基于视觉感知技术，提出一种自主感知与规避方法。能够在轻型无人机超视距飞 行时，解决轻型无人机飞行前向与无人机、飞艇危险接近，发生空中相撞的问题，确保轻型 无人机与空中目标（以下简称目标）保持一定的安全飞行间隔。
[0006] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种基于前视单目定焦摄像机的 轻型无人机自主感知与规避方法。首先通过轻型无人机前视单目定焦摄像机采集视频图 像，然后利用现有技术通过视频处理识别发现目标，确定目标数量；分别计算目标的像在 像直角坐标系内的长度、高度和位置关系；在空间直角坐标系通过小范围机动，确定目标长 度；在摄像设备坐标系内确定目标与摄像机相对位置关系、目标运动趋势，最后根据摄像设 备坐标系内目标位置和运动趋势判断轻型无人机是否危险接近目标，如危险接近在空间直 角坐标系内给出规避方法。具体步骤如下。
[0007] 步骤一、通过轻型无人机前视单目定焦摄像机采集视频图像。摄像机焦距为f，水 平视场角为α，垂直视场角为β。
[0008] 将摄像机做如下标定，以光心O1为原点构建摄像机坐标系〇 ^y1Z1，光轴为Z1轴， 位于轻型无人机的机体左右对称平面内或平行于左右对称平面，轻型无人机定速巡航时Z1轴与地面平行，光轴在机体左右对称平面内的投影与机体轴线夹角为Θ i，Zl轴指向机体前 方；X1轴与z i轴垂直，指向机体右方；y i轴垂直X i轴和z 4由，指向机体上方。光轴延长线与 像平面交点为〇 ;以〇点为原点，构建像平面直角坐标系oxy，X轴平行与^轴，指向相同； y轴平行于yji，指向相同；〇xy平面与〇 3山平面平行，两平面间距离为f。
[0009] 步骤二、利用现有技术通过视频处理识别发现目标，确定目标数量，并分别计算目 标的像在像直角坐标系内的轮廓，计算出像的长度、高度和像的位置关系，在摄像机坐标系 内计算目标与轻型无人机相对位置关系和目标运动趋势。
[0010] 1、利用现有技术通过视频处理识别发现目标，确定目标数量a，将目标逐按自然序 列逐一编批，批号依次为1、2、···、!!，目标集合为{Tl，T2，，，，Ta}。并分别计算目标的像在 像直角坐标系内的轮廓，计算轮廓上像素点坐标（X，y)，找到X值最大的点A，A点坐标为 (xA，yA)和最小的点B，B点坐标为（xB，yB)，找到y值最大的点C，C点坐标为（X。，y。）和最小 的点D，D点坐标为（xD，yD)。像长1= xA-xB，像高m= yc_yD。
[0011] 像到y轴的距离k定义为：当xA>0且xB>0，k= xB。当xA〈0且xB〈0，k= -xA。当xA>0 且xB〈0, k=0。当xA=0或xB=0, k=0。像到X轴的距离h定义为：当yc>0且yD>0, k= yD。当 yc〈〇且yD〈〇, k= -yc。当yc>0且yD〈0, h=0。当yc=0或yD=0, h=0。在摄像机坐标系内将目 标的像位置描述为（k，h，f)。
[0012] 2、在摄像机坐标系内描述目标位置。定义目标所在法平面（以下简称法平面）为 与目标相切、垂直于光轴的平面，且光心O1到平面的距离d最小的平面，d反映了目标与摄 像机水平纵向间隔，光轴与法平面的交点为〇2，以〇2为原点构建法平面直角坐标系〇 2x2y2， 法平面直角坐标系&轴平行与摄像机坐标系X 4由，指向相同；y 2轴平行于y 4由，指向相同。 在摄像机坐标系内八〇1延长线与法平面交点为E，E点坐标为（X 1E，y1E，d)，Bo1延长线与法 平面交点为F，F点坐标为（x1F，y1F，d)，（^延长线与法平面交点为G，G点坐标为（X ie，yie， d)，Do1M长线与法平面交点为I，I点坐标为（x n，yu，d)。 目标长度w定义为：w=x1F_x1E，目标高度g定义为：g= y^-yn；。在法平面直角坐标系目 标到y2轴的距离K定义为：当X 1F>0且x1E>0，k= x1E。当x1F〈0且x1E〈0，k= -x1F。当x1F>0且 x1E〈0, K=0。当x1F=0或x1E=0, K=0。在法平面直角坐标系目标到乂2轴的距离H定义为：当 yn>〇 且 y1(；>〇，H=y1(；。当 yu〈0 且 Y1JOj=I11。当 yn>0 且 y1(；〈0，H=0。当 Y11=O 或 y1(；=0， H=0。在摄像机坐标系内将目标位置描述为（K，H，d)。
[0013] 3、在摄像机坐标系内计算目标与轻型无人机相对位置关系和目标运动趋势。为 简化计算，以目标与光心〇1位置关系，代替目标与轻型无人机位置关系。目标集合为{T1， Τ2，，，，Τη}，假设KTn不等于零，HTn不等于零，DTn不等于零。将目标和像在〇#0 1平面内投影有：
将目标和像在O1Y1Z1平面投影有：
[0014] 3. 1在摄像机坐标系内推导目标位置关系和运动趋势。求解目标相对光心运动趋 势，要对目标视频连续采样，用上述方法表示目标在摄像机坐标系内位置前提为目标w不 变，要求目标在运动过程中不能超出摄像机水平视场或目标从盲区进入视场要完全进入视 场，不然就无法准确反映出目标运动趋势。目标在视场内运动时由于目标运动姿态改变带 来的w变化，由于两次采样时间间隔很短，w变化忽略不计。
[0015] 当目标与摄像机水平视场角两边同时相切时，即满视场时有：
当目标与摄像机垂直视场角两边同时相切时，即满视场时有：
当目标单边与水平视场角相切时有：
如 4 = 〇，
当目标单边与垂直视场角相切时有：
对曰称TrU丨S β S a )，仕U叮刻曰称到y2轴距离为K Tntl，到X2轴距离为H T