一种禁飞区无人机预警方法与流程

本发明属于无人机监管技术领域，具体的说是涉及一种禁飞区无人机预警方法。

背景技术：

随着无人机技术的不断发展，越来越多的小型民用无人机在我们的日常生活中被应用。但是相比于无人机技术的日渐成熟，无人机的监管技术则相对较为落后，尤其是对飞机场等禁飞区周围无人机的监管，更为缺乏。为了来保障低空域交通安全，防止禁飞区周围的无人机闯入该区域，造成不必要的安全事故，必须对禁飞区周围的无人机进行及时的预警监管。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种一种禁飞区无人机预警方法。

本发明的技术方案是：

一种禁飞区无人机预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取无人机飞行轨迹坐标，具体包括：

S11、通过GPS获取无人机飞行轨迹的离散坐标点：在WGS-84坐标系下，获取并记录无人机飞行轨迹的坐标点；

S12、通过坐标系转换法将记录的WGS-84坐标系下的坐标点转换为BJ-54坐标系下的地理坐标；

S13、将BJ-54坐标系下的地理坐标通过高斯投影法将该地理球面坐标转换成高斯平面坐标(x，y)：

地理坐标(B，L)与高斯平面坐标(x，y)的转换公式如下公式1和公式2：

其中，B为投影点的大地纬度；l＝L-L0为投影点的大地经度，L0为轴子午线的大地经度；N为投影点的卯酉圈曲率半径；t＝tanB；η＝e2*cosB，e2为椭圆球的第二偏心率；X0为当l＝0时，从赤道起算的子午线弧长，如下公式3：

其中，a为长半径长；K₀、K₂、K₄、K₆、K₈为与椭圆球的第一偏心率e1有关的已知系数；

S2、根据获取的高斯平面坐标，采用最小二乘法将无人机的飞行轨迹拟合为飞行曲线；

S3、对获取的飞行曲线进行更新：

将步骤S1中获得的多个无人机飞行坐标作为一个队列，重复步骤S1获取到新的无人机飞行轨迹坐标后，舍去无人机飞行坐标队列队尾的坐标点，将新获得的无人机飞行坐标加入队头，根据更新后的无人机飞行坐标队列，重复步骤S2重新拟合出新的无人机飞行曲线；

S4、重复步骤S3持续对无人机飞行曲线进行更新；上述步骤如图1所示；并根据获得的无人机飞行曲线，判断无人机是否会进入禁飞区，对将要进入禁飞区的无人机预警。

由于无人机在飞行时有可能发生特殊情况导致运动轨迹发生偏离的情况，加上其本身运动的未知性，仅仅单靠某一个时刻的拟合曲线来预测该无人机的飞行轨迹显然有些不可靠以及不合理，因此必须对传统的最小二乘曲线拟合算法进行改进，在当前时刻采用最小二乘曲线拟合算法拟合出无人机这段时间的飞行轨迹，而下一时刻舍去最末尾的坐标点而加上最新的坐标点又重新拟合出新的曲线，不间断对无人机飞行进行轨迹预测，从而提高了预测的准确性以及可靠性，因此，进一步的，所述步骤S2的具体方法为：

定义无人机飞行曲线与无人机飞行轨迹之间的匹配函数p(x)如下公式4：

p(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+...+a_mx^m (公式4)

定义无人机飞行曲线与实际数据之间误差的平方和E2如下公式5

定义公式4中的多项式函数为5次多项式函数，则采用最小二乘法对无人机飞行曲线的拟合具体为：

对E2分别对a_i求偏导数，得到如下公式6的方程：

将公式6转化为针对5次多项式a0,a1,…a5的方程组，如下公式7：

采用高斯消元法求解公式7所示的方程组，得到5次多项式的系数a₀,a₁,…a₅，得到曲线的拟合的5次多项式函数，从而获得拟合无人机飞行轨迹的曲线的表达式。

在拟合出无人机的飞行轨迹后，下一个难题就是无人机进入禁飞区的预警，需要判断该无人机是否会进入禁飞区，即是该无人机的飞行轨迹拟合曲线是否会与代表禁飞区的电子围栏相交。本发明采用基于无人机飞行轨迹曲线当前点的切线进行预警预测。由于飞行轨迹某一点的切线则说明了无人机在该点的飞行方向，通过求出拟合曲线在当前时刻点的切线方程则可以很好地说明当前时刻无人机是否有飞入禁飞区的趋势。

利用拟合曲线得出的当前点的切线方程后，通过判断该切线是否与描述禁飞区的电子围栏相交来预测该无人机是否会进入禁飞区。然而，由于电子围栏是不规则的形状，如何知道一条直线与不规则图形是否相交，便是一个亟待解决的难题。本发明采用最小外接矩形法，首先将电子围栏的各个拐点经纬度坐标转换到高斯平面直角坐标系中的平面坐标，接着求解出该电子围栏的凸包，最后通过直接计算无人机的飞行轨迹在当前点的切线是否与描述电子围栏的最小外接矩形相交来预测该无人机是否会进入禁飞区，从而解决了这一问题。如图2所示，进一步的，所述步骤S4的具体方法为：

根据获得的无人机飞行曲线，采用基于无人机飞行曲线当前点的切线进行预警预测：

设G(x₀,y₀)是无人机飞行轨迹拟合曲线上的当前点，若拟合曲线在G点的导数存在，则根据拟合的5次多项式曲线以及当前点的坐标，求出当前点的切线方程的斜率，再根据直线的点斜式方程,带入当前点的坐标,得出当前点的切线方程，如下公式8：

y-y₀＝f'(x₀)(x-x₀) (公式8)

若无人机飞行轨迹拟合曲线在G点的导数不存在，由切线定义知，拟合曲线在当前点G的切线方程为如下公式9：

x＝x₀ (公式9)

通过公式8和公式9获得当前一段时间无人机运动轨迹在当前点的切线方程，通过判断该切线是否与禁飞区电子围栏相交预测该无人机是否会进入禁飞区，若是，则对无人机发出预警信号，若否，则进行下一轮的预警判断。

进一步的，所述判断该切线是否与禁飞区电子围栏相交的具体方法为：

根据禁飞区电子围栏在地图上显示为不规则的多边形，对禁飞区电子围栏进行分解，采用凸包替代电子围栏，所述凸包为包含平面内一组点的最小凸多边形，具体为：

在描述电子围栏的拐点集中选取y坐标最小的点记为p₀，接着以p₀为原点，对其他所有拐点做坐标变换，同时计算这些点的坐标以及幅角，以幅角非降排序这些拐点，并记排序后的点集为如下公式10：

T＝{p₁,p₂,p₃,...,p_n-1} (公式10)

其中，p₁与p_n-1分别与p₀构成最小与最大的幅角；

把点集T中的元素作为事件的调度点从p₀开始到p_n-1为止进行扫描，在扫描过程中，用堆栈CS存储扫描过的电子围栏拐点，并且由这些拐点构成半封闭的凸多边形，首先堆栈的初始化元素为p_n-1、p₀，接着依照极坐标的幅角大小对点集T中的电子围栏拐点依次进行扫描，假定在某一时刻，堆栈内容为如下公式11：

CS＝{p_n-1,p₀,...,p_i,p_j,p_k} (公式11)

栈顶电子围栏拐点为p_k，正在进行扫描的点为p_l，对由p_j、p_k、p_l构成的路径方向进行判断，如果是左转的，则由这三点形成的边为凸边，将点p_l压入栈顶，然后继续扫描下一个电子围栏拐点；而如果是右转的，则此时的栈顶电子围栏拐点p_k一定不是凸包的顶点，将它弹出栈顶，然后重新继续扫描p_l，此时的栈顶元素为p_j，对由p_i、p_j、p_l构成的路径方向，采用上述方法进行判断；

获取电子围栏的最小凸多边形每一条边的最小外接矩形：

选取所求得的凸多边形中的一条边作为起始边，根据这条边的两个顶点求出该条边所在直线方程，并记该直线为L₁，斜率为k₁；

找出该电子围栏的凸多边形中所有的拐点中到直线L₁距离最远的点,记为p_x，求出过p_x点且斜率也为k₁的直线方程，并记该直线为L₂；

记选中边的左端点为e，求出过点e且斜率为-1/k₁的直线方程，记直线为L₃，根据如下公式12：

求出凸多边形的所有在直线L₃左边的拐点中距离直线L₃最远的拐点记为p_y，并求出凸多边形的所有在直线L₃右边的拐点中距离直线L₃最远的拐点记为p_z，再分别求出斜率为-1/k₁且过点p_y的直线方程，记直线为L₄，以及斜率为-1/k₁且过点p_z的直线方程，记直线为L₅；

分别求出直线L₄与L₁、L₁与L₅、L₅与L₂、L₂与L₄的交点为A、B、C、D，则由A、B、C、D构成的矩形即为过电子围栏的凸多边形的该条边的最小外接矩形；

求出经过电子围栏的凸多边形其他所有边的最小外接矩形，并根据上述方法计算出过每一条边的最小外接矩形的四个顶点坐标并保存；

计算并比较所求的所有经过该凸多边形的每一条边的最小外接矩形面积大小，最小面积的外接矩形即为描述该禁飞区的电子围栏的最小外接矩形；

通过直接计算当前点的切线与最小外接矩形是否相交来预测该无人机是否会进入禁飞区：

分别计算该切线与最小外接矩形边所在直线的交点p₁、p₂、p₃、p₄；设切线方程为如下公式13：

y＝k*x+b (公式13)

最小外接矩形边所在直线方程为如下公式14：

y＝k_i*x+b_i(i＝1,2,3,4) (公式14)

则按如下公式15：

通过求解当前点切线分别与矩形的每一条边所在直线组成的四个二元一次直线方程组，来求解该切线与矩形的每一条边所在直线交点坐标(Xi,Yi)；

判断所求的交点是否在最小外接矩形边上：

由于该切线与矩形的交点有可能在边的延长线上，因此需要通过约束条件剔除不在该矩形边上的交点；从所求满足约束条件的交点中选出距离无人机当前点距离最近的点，从获得的交点中利用两点间距离公式求出离当前点距离最近的交点；计算出无人机当前点与在最小外接矩形边上距离最近的交点的距离即为当前时刻无人机与禁飞区的最短距离。

本发明的有益效果是：提出一种新的禁飞区无人机预警方法，对禁飞区周围的无人机及时的实施预警，以达到对它们进行实时监管、防止它们闯入禁飞区的目的，大大地提高了禁飞区周围小型民用无人机飞行的安全性，在民用无人机监管领域中将有广泛的应用前景。

附图说明

图1为为无人机飞行轨迹预测过程流程图；

图2为无人机进入禁飞区的预警过程流程图。

具体实施方式

在发明内容部分已经详细的描述了本发明的技术方案，在此不再赘述。