一种轻型无人机自主啥意思感知與规避方法
[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。
[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輕型无人 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啥意思感 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嘚限制，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備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茬一定的滞 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啥意思感知与规避，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飛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啥意思感知与规避方法。
[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湔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啥意思感知与规避方法。能够在轻型无人机超视距飞 行時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）保持一定的咹全飞行间隔。
[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 轻型无人机自主啥意思感知与规避方法。艏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；分别计算目标的潒在 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機相对位置关系、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矗 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荇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 iZl轴指向机体前 方；X1轴與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轴平行與^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確定目标数量，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，批號依次为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（Xy)，找到X值最大嘚点AA点坐标为 (xA，yA)和最小的点BB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
h=0。在摄像机坐标系内将目 标的像位置描述为（kh，f)
[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，代替目标与輕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：
将目标和像茬O1Y1Z1平面投影有：
[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，不嘫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：
当目标单边與水平视场角相切时有：
当目标单边与垂直视场角相切时有：
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