一種基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)感知與規(guī)避方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)感 知與規(guī)避方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行，即多架無(wú)人機(jī)為適應(yīng)任務(wù)要求而進(jìn)行的某種隊(duì)形排列和任務(wù)分 配的組織模式，它既包含編隊(duì)飛行的隊(duì)形產(chǎn)生、保持和變化，也包括飛行任務(wù)的規(guī)劃和組 織。多無(wú)人機(jī)編隊(duì)（Multi-UAV，MUAV)應(yīng)世事需求而生：在軍用領(lǐng)域，通過(guò)數(shù)以百計(jì)、千計(jì)的 無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)快速構(gòu)建戰(zhàn)區(qū)立體化傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的全方位，多視角環(huán)境感 知。在民用領(lǐng)域，多無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)控，災(zāi)害快速反應(yīng)、快速的地圖生成，全 局視頻直播等任務(wù)。無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同能夠使實(shí)現(xiàn)微小型無(wú)人機(jī)的效能最大化，不僅能夠擴(kuò) 大其在軍事領(lǐng)域的作戰(zhàn)能力，也能在民用領(lǐng)域給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的推動(dòng)作用。
[0003] 現(xiàn)代的無(wú)人機(jī)越來(lái)越密集，無(wú)人機(jī)在大量的軍民兩用的使用中變得越來(lái)越廣泛， 隨著微小飛行器的快速發(fā)展，未來(lái)的空域會(huì)變得越來(lái)越密集。開展無(wú)人機(jī)感知與規(guī)避 (Sense and avoid，SAA)研宄變得越來(lái)越緊迫。隨著信息化水平的快速提高和航空技術(shù)的 飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域的不斷拓展，一些遠(yuǎn)程的大型無(wú)人機(jī)不斷涌現(xiàn)， 飛行范圍、運(yùn)行時(shí)間成倍增長(zhǎng)，遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)使用空域運(yùn)行已經(jīng)是必然趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)感知與規(guī) 避技術(shù)是指無(wú)人機(jī)利用機(jī)載傳感器或者地面監(jiān)視系統(tǒng)完成對(duì)空域飛行環(huán)境的監(jiān)視和飛行 目標(biāo)的狀態(tài)獲取，對(duì)潛在的碰撞威脅的目標(biāo)進(jìn)行規(guī)避路徑規(guī)劃，完成規(guī)避機(jī)動(dòng)任務(wù)，從而保 證無(wú)人機(jī)航路飛行安全。
[0004] 隨著飛機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，空域中飛行器對(duì)于碰撞威脅的規(guī)避 能力也在逐步的改進(jìn)和完善。早期的飛機(jī)防撞系統(tǒng)都是在預(yù)先規(guī)劃的航路及設(shè)定操作規(guī) 程的基礎(chǔ)上建立的，由于需要對(duì)碰撞威脅做出分析和判斷，因此飛行員的操作在早期的飛 機(jī)防撞系統(tǒng)中是必不可少的環(huán)節(jié)，但是，飛行員的操作會(huì)容易受到各種因素的影響，由此產(chǎn) 生了安裝在飛機(jī)上的自動(dòng)防撞系統(tǒng)，這些自動(dòng)防撞系統(tǒng)利用傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)飛機(jī)發(fā)生碰撞 的機(jī)率，有的自動(dòng)防撞系統(tǒng)還可以產(chǎn)生相應(yīng)的避障制導(dǎo)指令。上世紀(jì)九十年代初，功能相 對(duì)簡(jiǎn)單的飛機(jī)空中防撞系統(tǒng)已經(jīng)作為空中交通管理系統(tǒng)（Air Traffic Control System) 的一部分，如空中交通碰撞預(yù)警和規(guī)避系統(tǒng)（Traffic Alert and Collision Avoidance System，TCAS)。近年來(lái)，美國(guó)研制了更為先進(jìn)的交通碰撞探測(cè)和規(guī)避系統(tǒng)，這些系統(tǒng)利用包 含當(dāng)前空域中所有飛機(jī)航路的數(shù)據(jù)鏈信息，保證飛機(jī)在空域中的飛行安全，如廣播式自動(dòng) 相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast System, ADS-B) 〇
[0005] 現(xiàn)代無(wú)人機(jī)在尺寸、重量、作戰(zhàn)距離和高度上都有很大不同。目前世界各國(guó)所用的 無(wú)人機(jī)也像北約在科索沃使用的七種無(wú)人機(jī)一樣，執(zhí)行的主要任務(wù)是監(jiān)視、偵察和目標(biāo)截 獲，提供圖像情報(bào)。其所用的任務(wù)有效載荷都是光學(xué)照相機(jī)、紅外行掃描器、電視攝像機(jī)、 前視紅外等無(wú)源成像探測(cè)設(shè)備。無(wú)人機(jī)執(zhí)行監(jiān)視、偵察和目標(biāo)截獲任務(wù)最主要是用光學(xué)照 相機(jī)、紅外行掃描器、電視攝像機(jī)和前視紅外（熱成像器）等任務(wù)有效載荷獲取敵方圖像情 報(bào)提供指揮作戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)自身體積小，有效載荷相對(duì)較小，分布在10克~1千克，因此需要 搭載的傳感器盡量的體積小，質(zhì)量輕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于視覺(jué)的 無(wú)人機(jī)編隊(duì)感知與規(guī)避方法，使編隊(duì)在保持隊(duì)形不變以及編隊(duì)隊(duì)形打破重新組合的方式規(guī) 避目標(biāo)障礙物。
[0007] 利用多機(jī)編隊(duì)的雙目測(cè)距，根據(jù)檢測(cè)的信息，實(shí)時(shí)跟蹤與測(cè)量，通過(guò)建立飛行安全 區(qū)域，在保持隊(duì)形不變以及編隊(duì)隊(duì)形打破重新組合的。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)感 知與規(guī)避方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0009] 步驟一、通過(guò)編隊(duì)中每一架無(wú)人機(jī)上設(shè)置的機(jī)載視覺(jué)傳感器檢測(cè)出目標(biāo)障礙物在 其對(duì)應(yīng)的圖像平面坐標(biāo)系中的位置，推導(dǎo)出目標(biāo)障礙物對(duì)應(yīng)的相機(jī)坐標(biāo)系到對(duì)應(yīng)的世界坐 標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣M ;
[0010] 步驟二、選取步驟一中所得的任意兩架機(jī)載視覺(jué)傳感器得到的目標(biāo)障礙物對(duì)應(yīng)的 的相機(jī)坐標(biāo)系到對(duì)應(yīng)的世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣M，通過(guò)雙目視覺(jué)測(cè)距的原理，計(jì)算出目標(biāo)障 礙物在世界坐標(biāo)系中的位置；
[0011] 步驟三、在編隊(duì)中定義虛擬掌機(jī)和虛擬安全區(qū)域，由步驟二中所得的目標(biāo)障礙物 在世界坐標(biāo)系中的位置，計(jì)算得出目標(biāo)障礙物與虛擬掌機(jī)及虛擬安全區(qū)域的距離，確定目 標(biāo)障礙物是否對(duì)虛擬掌機(jī)和虛擬安全區(qū)域造成威脅；
[0012] 步驟四、根據(jù)步驟三所得的結(jié)果，當(dāng)目標(biāo)障礙物不對(duì)虛擬掌機(jī)和虛擬安全區(qū)域造 成威脅時(shí)，編隊(duì)保持原航路飛行；
[0013] 當(dāng)目標(biāo)障礙物對(duì)虛擬掌機(jī)和虛擬安全區(qū)域造成威脅時(shí)，編隊(duì)中相應(yīng)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行 規(guī)避，完成避撞后，進(jìn)入原來(lái)的編隊(duì)，編隊(duì)回歸原來(lái)的航路。
[0014] 進(jìn)一步地，步驟一中的具體過(guò)程如下：
[0015] 根據(jù)機(jī)載視覺(jué)傳感器監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)障礙物的信息，計(jì)算出其在圖像平面坐標(biāo)系中 的位置；然后依次計(jì)算出目標(biāo)障礙物在成像平面坐標(biāo)系中的位置、目標(biāo)障礙物在相機(jī)坐標(biāo) 系中的位置、目標(biāo)障礙物相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的位置、目標(biāo)障礙物在世界坐標(biāo)系中的位置；其 中選用的相機(jī)坐標(biāo)系，采用四元算法進(jìn)行姿態(tài)轉(zhuǎn)移，以解決姿態(tài)轉(zhuǎn)移中的奇異值問(wèn)題。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟二中的具體過(guò)程如下：
[0017] 選取編隊(duì)中任意兩架無(wú)人機(jī)，將由步驟一種所得的它們分別對(duì)應(yīng)的目標(biāo)障礙物的