一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法与流程

1.本发明涉及但不限于固定翼无人机飞行管理与控制技术领域，尤指一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法。


背景技术：

2.禁飞区是指禁止飞行区域，即某一领地上空禁止任何未经特别申请许可的飞行器飞入或者飞跃的空域。随着轻小型无人机的快速发展，“民航航班遭受无人机干扰”、“军事设施遭无人机偷拍”、“无人机坠落城市砸中市民”等危险行为日益增加，对空域的管理造成了较大的挑战。因此，针对机场、军事设施、城市等空域设置禁飞区，在未经许可的情况下禁止无人机飞入，可以有效避免此类事件的发生，保障国家安全。上述禁飞区技术能够有效限制无人机飞行空域范围，保证无人机飞行安全与空域安全。
3.现有的禁飞区规避技术多用于旋翼飞行器，且采取禁飞区规避应对方案较为单一，即触碰禁飞区后选择悬停降落。对于固定翼无人机，由于不具备悬停降落的能力，因此，现有针对旋翼飞行器的禁飞区规避技术并不适用于固定翼无人机。


技术实现要素：

4.本发明的目的：本发明实施例提出一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法，以解决现有禁飞区规避技术，采用禁飞区规避应对方案较为单一，并不适用于固定翼无人机的问题。
5.本发明的技术方案：
6.本发明实施例提供一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法，包括：
7.步骤1，设置禁飞区域形状，所设置的禁飞区域形状用于规定禁飞区域范围，限制无人机飞行边界；
8.步骤2，禁飞区域的触碰检测，根据无人机当前经纬度与禁飞区航线经纬度，结合无人机飞行速度与航向，计算无人机是否触碰或即将触碰禁飞区域；
9.步骤3，当飞机即将触碰禁飞区域，根据地面站的指令选择执行禁飞区规避策略以使无人机在预设区域内盘旋等待，或者，执行禁飞区绕行策略以使无人机采用绕行航线完成当前飞行任务。
10.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，所述步骤1包括：
11.通过地面站设置和上传的禁飞航点描述禁飞区域形状和边界，所述禁飞区域形状包括：
12.圆形禁飞区，采用圆形禁飞航点的经纬坐标与半径描述；
13.类圆形禁飞区，采用椭圆形禁飞航点的经纬坐标和长短轴半径描述；
14.多边形禁飞区，采用多个普通禁飞航点，禁飞航点依次连接形成禁飞航段，连续的禁飞航段形成封闭凸多边形禁飞区域。
15.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，用于禁飞区域触碰
检测的逻辑中预置有禁飞区警告标志waring_flag、禁飞区规避标志void_flag，所述步骤2包括：
16.步骤21，无人机在禁飞区域外部，初始化置警告标志warning_flag＝0，置规避标志void_flag＝0，设定预警距离和规避距离，形成禁飞区预警线和规避线；
17.步骤22，当无人机在禁飞区域外部，且禁飞区域为圆形禁飞区，在无人机的巡航飞行阶段，根据无人机当前经纬坐标，计算无人机飞行至圆形禁飞区边缘的轴向距离；根据所述轴向距离的大小，判断执行禁飞区规避策略或执行禁飞区绕行策略或仅进行告警；
18.步骤23，当无人机在禁飞区域外部，且禁飞区域为多边形禁飞区，在无人机的巡航飞行阶段，根据无人机当前经纬坐标，计算无人机与每一个禁飞航段的侧偏距和无人机相对于该禁飞航段的待飞距及该禁飞航段长度；根据侧偏距或无人机与禁飞航点的相对距离，判断执行禁飞区规避策略或执行禁飞区绕行策略或仅进行告警；
19.步骤24，当无人机在禁飞区域内部，且置警告标志warning_flag＝1，置规避标志void_flag＝1，执行禁飞区规避策略或执行禁飞区绕行策略。
20.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，所述步骤3包括：
21.步骤3a，执行禁飞区规避策略，包括：当飞机即将触碰禁飞区域，且地面站未下达绕行指令，则启动禁飞区规避策略，无人机选择合理的位置盘旋等待地面站指令，避免飞入禁飞区；
22.步骤3b，执行禁飞区绕行策略，包括：当飞机即将触碰禁飞区域，且地面站下达绕行指令，则自动生成绕行航线，执行绕行策略，完成绕行后继续执行任务。
23.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，所述步骤3a包括：
24.步骤3a1，当规避标志为1，且未收到地面站绕行指令，则确认无人机执行禁飞区规避策略；
25.步骤3a2，基于禁飞区域形状，生成盘旋等待圆心点，根据盘旋等待圆心点和预设的盘旋半径，形成盘旋等待圆形航线；
26.步骤3a3，无人机从当前位置飞行至盘旋等待圆形航线与预警线的交点，进入盘旋等待圆形航线。
27.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，所述步骤3a之后，还包括：
28.无人机接收到地面站发送的任务指令，执行相应的任务，退出规避。
29.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，所述步骤3b包括：
30.步骤3b1，当规避标志为1，且收到地面站绕行指令，则确认无人机执行禁飞区绕行策略；
31.步骤3b2，形成禁飞区域的绕行航线，并给定侧偏飞行指令，圆形禁飞区绕行航线为当前禁飞区圆形成的圆弧航段，边形禁飞区绕行航线为当前位置、禁飞航点及任务航段目标点形成的航线。
32.可选地，如上所述的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法中，还包括：
33.步骤4，禁飞区域的提示与警告，包括：
34.当步骤2中检测到无人机触碰或即将触碰到禁飞区域，通过地面站向操作人员提示与警告。
35.本发明的优点：本发明实施例提供的一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法，针对固定翼无人机飞行空域中存在禁飞区的问题，通过设置合理有效的禁飞区航线描述禁飞区范围，通过禁飞区规避与绕行策略，在避免进入禁飞区的同时，保证原有任务的继续执行。采用本发明实施例的技术方案，能够有效管理限制固定翼无人机飞行空域范围，针对不具备定点悬停和垂直降落的固定翼无人机，可以限制其飞行范围，预留给地面站处理时间，在避免进入禁飞区的同时，保证飞行安全；除限制无人机进入禁飞区外，本发明实施例还可以在规避禁飞区的同时，选择绕过禁飞区继续执行原有任务，保证任务功能不受干扰。
附图说明：
36.图1为本发明实施例提供的一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法的流程图；
37.图2为本发明具体实施例中禁飞区域的形状设置的示意图；
38.图3为本发明具体实施例中禁飞区域规避策略的执行原理示意图；
39.图4为本发明具体实施例中禁飞区域规避策略的执行原理示意图。
具体实施方式：
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
41.在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
42.上述背景技术中已经说明，现有的禁飞区规避技术多用于旋翼飞行器，且采取禁飞区规避应对方案较为单一，即触碰禁飞区后选择悬停降落。对于固定翼无人机，由于不具备悬停降落的能力，因此，现有针对旋翼飞行器的禁飞区规避技术并不适用于固定翼无人机。
43.针对现有禁飞区规避技术的问题，目前亟需设计一种适合固定翼无人机的禁飞区应对策略，在避免进入禁飞区的情况下保证飞机安全，同时具备继续执行任务的能力。因此，本发明实施例提出一种固定翼无人机的禁飞区规避与绕行方法，在避免进入禁飞区的同时保证飞机安全，还可以支持原有任务的继续执行。
44.本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
45.图1为本发明实施例提供的一种固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法的流程图。本发明实施例提供的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法可以包括如下步骤：
46.步骤1，设置禁飞区域形状，所设置的禁飞区域形状用于规定禁飞区域范围，限制无人机飞行边界。
47.步骤2，禁飞区域的触碰检测，根据无人机当前经纬度与禁飞区航线经纬度，结合无人机飞行速度与航向，计算无人机是否触碰或即将触碰禁飞区域。
48.该步骤2中的“即将触碰禁飞区域”是指：如果以当前航向飞行，预设时间(例如2秒)内即会碰触到禁飞区域。
49.步骤3，当飞机即将触碰禁飞区域，根据地面站的指令选择执行禁飞区规避策略以使无人机在预设区域内盘旋等待，或者，执行禁飞区绕行策略以使无人机采用绕行航线完成当前飞行任务。
50.在本发明实施例中，上述步骤1的具体实施方式，可以包括：
51.通过地面站设置和上传的禁飞航点描述禁飞区域形状和边界，禁飞区域形状包括但不限于以下几种形式：
52.描述形式1：圆形禁飞区，采用圆形禁飞航点的经纬坐标与半径描述；
53.描述形式2：类圆形禁飞区，采用椭圆形禁飞航点的经纬坐标和长短轴半径描述；
54.描述形式3：多边形禁飞区，采用多个普通禁飞航点，禁飞航点依次连接形成禁飞航段，连续的禁飞航段形成封闭凸多边形禁飞区域。
55.本发明实施例的步骤2中，用于禁飞区域触碰检测的逻辑中预置有禁飞区警告标志waring_flag、禁飞区规避标志void_flag；相应的，本发明实施例中步骤2的具体实施逻辑，可以包括：
56.步骤21，无人机在禁飞区域外部，初始化置警告标志warning_flag＝0，置规避标志void_flag＝0，设定预警距离和规避距离，形成禁飞区预警线和规避线；
57.步骤22，当无人机在禁飞区域外部，且禁飞区域为圆形禁飞区，在无人机的巡航飞行阶段，根据无人机当前经纬坐标，计算无人机飞行至圆形禁飞区边缘的轴向距离；根据轴向距离的大小，判断执行禁飞区规避策略或执行禁飞区绕行策略或仅进行告警；
58.步骤23，当无人机在禁飞区域外部，且禁飞区域为多边形禁飞区，在无人机的巡航飞行阶段，根据无人机当前经纬坐标，计算无人机与每一个禁飞航段的侧偏距和无人机相对于该禁飞航段的待飞距及该禁飞航段长度；根据侧偏距或无人机与禁飞航点的相对距离，判断执行禁飞区规避策略或执行禁飞区绕行策略或仅进行告警；
59.步骤24，当无人机在禁飞区域内部，且置警告标志warning_flag＝1，置规避标志void_flag＝1，执行禁飞区规避策略或执行禁飞区绕行策略。
60.在本发明实施例中，上述步骤3的实施方式，可以包括：
61.步骤3a，执行禁飞区规避策略，包括：当飞机即将触碰禁飞区域，且地面站未下达绕行指令，则启动禁飞区规避策略，无人机选择合理的位置盘旋等待地面站指令，避免飞入禁飞区；
62.步骤3b，执行禁飞区绕行策略，包括：当飞机即将触碰禁飞区域，且地面站下达绕行指令，则自动生成绕行航线，执行绕行策略，完成绕行后继续执行任务。
63.在本发明实施例的一种实现方式中，步骤3a的实施过程，可以包括：
64.步骤3a1，当规避标志为1，且未收到地面站绕行指令，则确认无人机执行禁飞区规避策略；
65.步骤3a2，基于禁飞区域形状，生成盘旋等待圆心点，根据盘旋等待圆心点和预设的盘旋半径，形成盘旋等待圆形航线；
66.步骤3a3，无人机从当前位置飞行至盘旋等待圆形航线与预警线的交点，进入盘旋等待圆形航线。
67.进一步地，该实现方式在步骤3a之后，还包括：
68.无人机接收到地面站发送的任务指令，执行相应的任务，退出规避。
69.在本发明实施例的一种实现方式中，步骤3b的实施过程，可以包括：
70.步骤3b1，当规避标志为1，且收到地面站绕行指令，则确认无人机执行禁飞区绕行策略；
71.步骤3b2，形成禁飞区域的绕行航线，并给定侧偏飞行指令，圆形禁飞区绕行航线为当前禁飞区圆形成的圆弧航段，边形禁飞区绕行航线为当前位置、禁飞航点及任务航段目标点形成的航线。
72.进一步地，本发明实施例中，还可以包括：
73.步骤4，禁飞区域的提示与警告，该步骤的具体实现方式为：
74.当步骤2中检测到无人机触碰或即将触碰到禁飞区域，通过地面站向操作人员提示与警告。
75.本发明实施例提供的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法，针对固定翼无人机飞行空域中存在禁飞区的问题，通过设置合理有效的禁飞区航线描述禁飞区范围，通过禁飞区规避与绕行策略，在避免进入禁飞区的同时，保证原有任务的继续执行。采用本发明实施例的技术方案，能够有效管理限制固定翼无人机飞行空域范围，针对不具备定点悬停和垂直降落的固定翼无人机，可以限制其飞行范围，预留给地面站处理时间，在避免进入禁飞区的同时，保证飞行安全；除限制无人机进入禁飞区外，本发明实施例还可以在规避禁飞区的同时，选择绕过禁飞区继续执行原有任务，保证任务功能不受干扰。
76.以下通过一些具体实施例对本发明实施例提供的固定翼无人机禁飞区规避与绕行方法的实施方式进行详细说明。
77.该具体实施例中，禁飞区通过两个层面实现：航线规划层与机载飞行管理层。其中，航线规划层的禁飞区功能在地面站实现，机载飞行管理层的禁飞区在机载飞控计算机实现。
78.一方面，对于航线规划层面，在规划航线时应保证航线不允许与禁飞区有重叠交叉。
79.另一方面，对于机载飞行管理层面，当飞行航线与禁飞区无冲突且飞机处于可控状态时，飞机按照航线规划层面规划的航线飞行即不会飞入禁飞区；但是针对正常航线飞行外的其他飞行任务需要进行禁飞区约束，以保证飞机响应地面站下达的飞行指令时不会飞出禁飞区。
80.参照图1所示，该具体实施例的技术方案为针对上述机载飞行管理层面提供的，禁飞区规避与绕行方法包括以下5个步骤：
81.(1)禁飞区域的形状设置：
82.根据禁飞区域范围，设置合理有效的禁飞区航线，完整覆盖禁飞区域，禁飞区形状描述形式包括圆形禁飞区、多边形禁飞区。
83.(2)禁飞区域的触碰检测：
84.根据无人机当前经纬度与禁飞区航线经纬度，结合无人机飞行速度与航向，计算飞机是否触碰或即将触碰禁飞区，为后续规避策略与绕行策略提供参考。
85.(3)禁飞区规避策略：
86.当飞机即将触碰禁飞区域，且地面站未下达绕行指令，则启动规避策略，无人机选择合理的位置盘旋等待地面站指令，避免飞入禁飞区。
87.(4)禁飞区绕行策略：
88.当飞机即将触碰禁飞区域，且地面站下达绕行指令，则自动生成绕行航线，执行绕行策略，完成绕行后继续执行任务。
89.(5)禁飞区的提示与警告：
90.针对禁飞区的预警与规避行为，在地面站给予提示与告警。
91.以下针对该具体实施例提供的上述5个步骤进行详细说明：
92.(1)禁飞区域的形状设置：
93.如图2所示，为本发明具体实施例中禁飞区域的形状设置的示意图，图2中示意出多边形禁飞区与圆形禁飞区两种类型，阴影区域禁飞区，航线位于禁飞区外部。
94.该具体实施例中的禁飞区域形状设置用于规定禁飞区域范围，限制无人机的飞行边界。用户通过设置禁飞航点描述禁飞区域形状和边界，表征飞机的不可进入边界，即飞机不允许飞入该区域。根据禁飞航点属性可将禁飞区域分为几种描述形式：
95.描述形式1：圆形禁飞区，采用圆形禁飞航点的经纬坐标与半径描述；
96.描述形式2：类圆形禁飞区，采用椭圆形禁飞航点的经纬坐标和长短轴半径描述；
97.描述形式3：多边形禁飞区，采用多个普通禁飞航点(不超过10个)，禁飞航点依次连接形成禁飞航段，连续的禁飞航段形成封闭凸多边形禁飞区域(默认起点和终点连接形成封闭区)。
98.禁飞航点的设置与上传通过地面站实现，允许地面站上传更新禁飞航点，地面站应检查多边形禁飞区规范性，如图2所示；亦可以根据空管局空域管理使用要求，在固件升级时载入预置的禁飞区。
99.(2)禁飞区域的触碰检测：
100.该具体实施例中的触碰检测功能用于判断飞机是否飞入或者即将飞入禁飞区。禁飞区域的触碰检测逻辑用于生成禁飞区警告标志waring_flag、禁飞区规避标志void_flag，具体实施逻辑如下：
101.1)系统默认飞机在禁飞区域外部，初始化置警告标志warning_flag＝0，置规避标志void_flag＝0；设定预警线和规避线，且定义禁飞区预警距离为warning_dis，规避距离为void_dis。
102.2)如果飞机在禁飞区外，且禁飞区为圆形，则在巡航飞行阶段，根据飞机当前经纬坐标，计算飞机至圆形禁飞区边缘的轴向距离dz_f1，并执行如下判断：
103.a)如果存在一个dz_f1小于规避距离void_dis，则置警告标志为waring_flag＝1，置规避标志void_flag＝1，执行禁飞规避策略或绕行策略。
104.b)否则，如果存在一个dz_f1小于预警距离warning_dis，则置警告标志为waring_flag＝1，置规避标志void_flag＝0，但不执行规避策略或绕行策略。
105.3)如果飞机在禁飞区外，且禁飞区为多边形，则巡航飞行阶段，根据飞机当前经纬坐标，计算飞机与每一个禁飞航段的侧偏距dz_f2和飞机相对于该禁飞航段的待飞距及该禁飞航段长度，并执行如下判断：
106.a)如果存在至少一个dz_f2小于规避距离void_dis、且该禁飞航段的待飞距介于0和禁飞航段长度之间；或者，飞机当前位置距离任一禁飞航点距离小于规避距离void_dis，则置警告标志为waring_flag＝1，置规避标志void_flag＝1，执行禁飞区规避策略或绕行
策略。
107.b)否则，如果存在至少一个dz_f2小于预警距离warning_dis、且该禁飞航段的待飞距介于0和禁飞航段长度之间；或者，飞机当前位置距离任一禁飞航点距离小于预警距离warning_dis，则置警告标志为waring_flag＝1，置规避标志void_flag＝0，但不执行规避策略或绕行策略。
108.4)如果飞机在禁飞区内，则置警告标志为waring_flag＝1，置规避标志void_flag＝1，执行禁飞规避逻辑策略或绕行策略。
109.(3)禁飞区域规避策略：
110.如图3所示，为本发明具体实施例中禁飞区域规避策略的执行原理示意图，图3a中示意出多边形禁飞区域的规避策略，图3b中示意出圆形禁飞区规避策略，阴影部分表示禁飞区，圆圈表示无人机规避盘旋等待飞行轨迹。
111.该具体实施例中的禁飞区域规避策略，用于保证无人机即将飞入禁飞区前，通过控制无人机飞行航向，实现自动规避禁飞区域，避免飞入。若规避标志为void_flag＝＝1，且未收到地面站绕行指令，则执行禁飞区规避逻辑，实施方案如下：
112.1)如果禁飞区为圆形禁飞区，则无人机以进入规避策略时刻初始位置a作圆形禁飞区的半径交圆弧于b点，确定沿ba延长方向且距离b点warning_dis长度的c点(禁飞区外)作为盘旋等待圆心点，如图3所示。
113.2)如果禁飞区为多边形，则无人机以进入规避策略时刻初始位置a作禁飞航段的垂线交于b点，确定沿ba延长方向且距离b点warning_dis长度的c点(禁飞区外)作为盘旋等待圆心点，如图3所示。
114.3)根据盘旋等待圆心点和预设的盘旋半径r，形成盘旋等待圆形航线；
115.4)无人机从当前位置飞行至盘旋等待圆形航线与预警线的交点；具体实施方式为：采用直线飞行进入盘旋等待圆形航线，设置盘旋半径为r，盘旋等待圆心点坐标为c点经纬度坐标，高度指令为进入规避盘旋时刻的飞机高度、速度指令为当前速度指令，盘旋方向根据当前飞机航向相对于垂线cb的方位判断，转小圈就近盘旋。
116.5)直到接收到地面站发送的任务指令，执行相应的任务，退出规避。
117.(4)禁飞区域绕行策略
118.如图4所示，为本发明具体实施例中禁飞区域规避策略的执行原理示意图，图4a中示意出多边形禁飞区域的绕行策略，图4b中示意出圆形禁飞区域的绕行策略，阴影部分表示禁飞区，圆圈表示无人机规避盘旋等待飞行轨迹。
119.禁飞区绕行策略，用于保证无人机即将飞入禁飞区前，通过控制无人机飞行航向，实现自动绕行禁飞区，避免飞入禁飞区的同时可以继续执行任务。若规避标志为void_flag＝＝1，且收到地面站绕行指令，则执行禁飞区绕行策略，实施方案如下：
120.1)如果飞机当前处于禁飞区域内部，则飞机以向点飞行方式，按照直线航段飞往盘旋等待圆心点，直至飞机处于禁飞区域外，执行后续绕行策略；
121.2)如果飞机在禁飞区外，且禁飞区为多边形，找到当前任务航段目标点与禁飞区域上各禁飞航点形成的航段中，最小的应飞航向和最大的应飞航向，如下图所示，图中4a表示的最小应飞航向为航点b到禁飞航点4形成的航向，而最大的应飞航向为航点b到禁飞点1形成的航向。
122.3)从触发规避的禁飞航段开始，向两端(顺时针和逆时针)计算累加禁飞航段长度，直到找到上一步确定的两个点(最小的应飞航向对应的禁飞航点4，最大的应飞航向分别对应的禁飞航点1，最后，这两个禁飞航点到目标点b点的距离分别加上前述计算的累加禁飞航段长度(例如，1b+逆时针的禁飞航段长度a
’‑3‑2‑
1；4b+顺时针的禁飞航段长度a
’‑
4)，从上述两个航段中找到距离最近一侧。例如图中4a，经过禁飞航点4一侧距离较短，确定从该侧绕行。
123.4)如果飞机在禁飞区外，且禁飞区为圆形区域，则判断禁飞区圆心位置相对于当前航段的侧偏，若侧偏为负，则表明圆心在左边，从逆时针方向规避距离近，反之，从顺时针规避近。
124.5)多边形禁飞区绕行航线：当前位置、禁飞航点及任务航段目标点；圆形禁飞区绕行航线：当前禁飞区圆形成的圆弧航段，到达图4b中所示b点时，退出圆弧，向a点飞行。
125.6)当飞机沿逆时针方向规避时，给定常值侧偏指令warning_dis；否则，给定侧偏指令
‑
warning_dis。
126.(5)禁飞区的提示与警告：
127.飞机飞入或者即将飞入禁飞区时，通过地面站给予操作人员提示与警告。
128.1)地面站收到禁飞区警告标志为waring_flag＝1，地面站应弹出警告标志弹框(例如显示为黄色)；
129.2)地面站操作人员应在看到弹出警告标志弹框(黄色)后，应尽快通过地面站指令操作，使飞机远离禁飞区；
130.3)地面站收到禁飞区规避标志为void_flag＝1，应弹出规避标志弹框(例如显示为红色)；
131.4)地面站操作人员在看到规避标志弹框(红色)后，应根据当前飞机状态选择合适时机，退出规避逻辑。
132.5)地面站应显示禁飞区域航段，规避虚线提示区，警告虚线提示区。
133.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。