一种飞行器被动式避障导航方法、装置及计算机设备

技术领域

本发明涉及飞行导航技术领域，尤其涉及一种飞行器被动式避障导航方法、装置及计算机设备。

背景技术

随着社会经济生活的发展，目前各种有人无人、飞行器的增加普及，地面各种架空地物和突起地物建筑的增加，空中的飞行器的低空飞行安全问题存在很大的隐患。

现状：目前有人机或者无人机的导航系统主要是基于平面二维地图的导航或者是低精度地形导航，二维地图和地形地图导航都存在无法描述真实的三维地物地貌情况，特别是对高于地面的架空地物无法完成表现出来等多方面问题。现实中对飞行器最大的安全隐患就是存在于高出地面的架空地物，实际飞行作业中超过90％的风险都是辨别度小的架空地物(高楼附属设施、高塔、高压电线等)导致，特别是在影响可视距离的不良天气(暴雨，强弱光、雾霾、沙尘、云雾等)的情况下，现有的地面导航系统无法满足当前飞行器航飞避障导航安全的要求，缺少偏航预警功能，只有极少数成本昂贵的主动探测预警飞行器可以实现较弱功能的近距离避障，市面上也尚没有可以实用的飞行器被动式避障导航平台。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种飞行器被动式避障导航方法、装置及计算机设备。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种飞行器被动式避障导航方法，具体包括以下步骤：

获取三维地理信息模型数据、避障导航参数模型、飞行器方位和导航航点参数；

基于三维地理信息模型数据和避障导航参数模型创建被动式避障导航三维场景；

根据飞行器方位同步创建虚拟飞行器体；

根据避障参数模型创建虚拟碰撞球及碰撞预警算法参数模型；

创建虚拟射线通道监测实时算法参数模型；

基于导航航点参数创建三维导航引导线；

创建三维导航引导线偏航预警算法参数模型；

依据所述被动式避障导航三维场景、虚拟飞行器体、虚拟碰撞球及碰撞预警算法参数模型、虚拟射线通道监测实时算法参数模型、三维导航引导线和三维导航引导线偏航预警算法参数模型对飞行器进行预警监测，从而实现飞行器被动式避障导航。

作为所述飞行器被动式避障导航方法的进一步可选方案，所述三维地理信息模型数据包括三维点云数据、三维倾斜数据、三维沙盘数据和精细建模数据。

作为所述飞行器被动式避障导航方法的进一步可选方案，所述虚拟碰撞球及碰撞预警算法参数模型用于被动感应出虚拟飞行器体在被动式避障导航三维场景中的危险障碍物的方位和距离，并发出预警信息，具体包括：

通过虚拟碰撞球预知确定虚拟飞行器体在被动式避障导航三维场景中的危险障碍物的方位和距离；

通过碰撞预警算法计算出虚拟碰撞球与危险障碍物是否发生碰撞重叠，若是，则发出碰撞预警信息。

作为所述飞行器被动式避障导航方法的进一步可选方案，所述虚拟射线通道监测实时算法参数模型用于即时计算出虚拟飞行器体的相对航高，并虚拟可变碰撞体实现对地预警，具体包括：

通过虚拟飞行器体自身位置发射虚拟射线碰撞被动式避障导航三维场景的通道实时计算出虚拟飞行器体相对航高；

通过虚拟可变感应碰撞体感应触发被动式避障导航三维场景地面，实现对地预警。

作为所述飞行器被动式避障导航方法的进一步可选方案，所述三维导航引导线和三维导航引导线偏航预警算法参数模型用于实现虚拟飞行器体的偏航计算，具体包括：

通过三维导航引导线获取虚拟飞行器体的偏航距离；

通过三维导航引导线偏航预警算法计算出虚拟飞行器体是否偏航，若是，则发出偏航预警信息。

作为所述飞行器被动式避障导航方法的进一步可选方案，所述获取三维地理信息模型数据，具体包括以在线的方式获取的三维地理信息模型数据和以离线的方式导入的三维地理信息模型数据。

作为所述飞行器被动式避障导航方法的进一步可选方案，所述碰撞预警信息和偏航预警信息均包括包括语音预警、鸣笛预警、文字信息预警和视觉闪烁预警。

一种飞行器被动式避障导航装置，包括：

请求模块，用于发送的针对飞行器被动式避障导航所需的数据获取请求；

服务器，用于针对所述数据获取请求返回三维地理信息模型数据、避障导航参数模型、飞行器方位和导航航点参数；

创建模块，用于创建被动式避障导航三维场景、虚拟飞行器体、虚拟碰撞球及碰撞预警算法参数模型、虚拟射线通道监测实时算法参数模型、三维导航引导线和三维导航引导线偏航预警算法参数模型。

作为所述飞行器被动式避障导航装置的进一步可选方案，所述数据获取请求包括飞行器的卫星实时定位位置数据。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的一种飞行器被动式避障导航方法的步骤。

本发明的有益效果是：通过根据高精度三维地理信息模型数据创建被动式避障导航三维场景，利用卫星定位来获取定位数据信息确定飞行器自身位置，飞行器的位置方向同步映射在被动式避障导航三维场景中的虚拟飞行器体，虚拟飞行器体在被动式避障导航三维场景中通过虚拟碰撞球算法被动感应出被动式避障导航三维场景中的危险障碍物的方位和距离，飞行器以被动方式获取避障信息以视觉，听觉来发出警报达到避障目的；并且可以通过被动式避障导航三维场景中生成三维导航引导线辅助飞行器进行导航，可以实现360度全方位偏航预警，同时通过虚拟射线通道即时计算出相对航高，虚拟可变碰撞体实现对地预警，以视觉，听觉来发出警报达到导航目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1一个实施例中一种飞行器被动式避障导航方法的应用环境图；

图2一个实施例中一种飞行器被动式避障导航方法的流程示意图-1；

图3一个实施例中一种飞行器被动式避障导航方法的流程示意图-2；

图4一个实施例中一种飞行器被动式避障导航方法的流程示意图-3；

图5一个实施例中一种飞行器被动式避障导航方法的原理示意图；

图6一个实施例中一种飞行器被动式避障获取相对航高和航高预警示意图；

图7一个实施例中一种飞行器被动式避障作业步骤的示意图-1；

图8一个实施例中一种飞行器被动式避障作业步骤的示意图-2；

图9一个实施例中一种飞行器被动式避障作业步骤的示意图-3；

图10一个实施例中一种飞行器被动式导航作业步骤的示意图；

图11一个实施例中一种计算机设备的内部结构图；

图12一个实施例中另一种计算机设备的内部结构图；

图13摘要附图一种飞行器被动式避障导航方法的流程示意图；

图14摘要附图一种飞行器被动式避障导航方法的原理示意图；

图15摘要附图一种飞行器被动式避障获取相对航高和航高预警示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供的一种飞行器被动式避障导航方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。具体的，客户端可以安装于终端102中，通过终端102与服务端 104建立网络连接并进行通信。

其中，终端102可以包括但不限于各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备；服务端104可以采用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

在具体实现中，客户端响应于用户操作，可以生成数据获取请求，并向服务端104发送数据获取请求。在接收到数据获取请求后，服务端104可以确定与该请求对应的三维场景，获取构建三维场景及相关避障导航参数数据，并将该数据发送至客户端，则客户端在接收到目标构建三维场景及相关避障导航参数数据后，可以在终端102、106、108上对该数据进行输出、展示或应用。

在一个实施例中，本申请提供的一种飞行器被动式避障导航方法的应用环境中，还可以包括如图1所示的移动平板106和/或移动笔记本设备108/或移动手持终端102，均可与服务器通信，通过网络向服务端申请构建三维场景及相关避障导航参数数据加载。

在一个实施例中，如图2、图3、图4所示，提供了一种飞行器被动式避障导航方法，以该方法应用于图1中的服务端和客户端为例进行说明，包括以下步骤：

步骤201，接收客户端发送的针对目标的数据获取请求；其中，所述数据获取请求中携带有针对所述三维场景的目标视角和目标位置；

在实际应用中，用户可以在客户端通过卫星定位可以获取目标视角和目标位置。在生成申请数据后客户端可以将其发送至服务端，以使服务端接收到针对目标区域的数据申请请求，服务端返回许可连接端口或下载链接。

离线状态下也可以通过本地存储设备文件导入的方式导入获取所需的三维场景数据及避障导航参数。

步骤202，响应于所述数据获取请求后，创建被动式避障导航三维场景，一般创建三维场景数据包括但不限于三维点云模型、三维倾斜实景模型、三维电子沙盘模型、精细建模模型等，以上数据均需具有地理信息绝对坐标。

步骤203，根据通过卫星定位装置获取飞行器的方位方向信息，并将获取的定位定向信息同步与虚拟飞行体；

该虚拟飞行体将同步飞行器，作为被动式避障导航里的虚拟飞行器主体。

步骤204，创建虚拟碰撞球及碰撞预警算法参数模型。

虚拟碰撞球是被动式避障的重点，其主要是在飞行器需要预警的距离位置和方向放置若干虚拟碰撞球，虚拟碰撞球以不可见但可感知的形式存在，当虚拟碰撞球与危险障碍物发生重叠碰撞的时候根据碰撞预警参数算法模型评估后触发预警信息。

在一个实施例中，如图3所示，所述根据所述被动式感应避障导航方法中创建引导线、虚拟射线、偏航算法的流畅示意图，可以包括如下步骤：

步骤301，创建虚拟射线通道及监测实时算法参数模型；

实现示例，创建垂直虚拟射线通道，其目的就是为了垂直地面发出虚拟射线来探测三维场景到虚拟飞行体的距离，从而获得相对航高。在所述飞行器在前进方向感应预警的同时也需要对地面相对航高的预警，其目的是为了在飞行器在飞离地面太低的相对航高时候及时发出预警。获取相对航高实现是通过虚拟飞行器体垂直地面发出虚拟射线，当虚拟射线碰撞到地面时候返回距离信息，从而得到相对航高；

步骤302，实现示例，通过服务获取航点坐标或者导入航点坐标创建三维导航引导线。

三维导航引导线目的是辅助飞行作业导航引导，还作为偏航计算的基准。

步骤303，创建三维导航引导线偏航算法参数模型。

三维导航引导线两个作用是辅助导航和计算偏航，偏航预警需要计算出飞机与引导线的360度切面范围内距离，需要根据设置的偏航阀值参数来创建偏航预警算法模型筛选出需要报警的偏航预警信息。

在一个实施例中，如图4所示，通过虚拟碰撞球被动感应、垂直虚拟射线、导航引导线等被动获取到预警信息可以包括如下步骤：

步骤401，获取虚拟碰撞球被动感应危险障碍物返回位置和方位；

虚拟碰撞球随着飞行器感应前进方向同步前进，当虚拟碰撞球与存在的危险障碍物发生碰撞重叠，将会即时返回障碍物的位置和方向，告知系统存在危险障碍物。达到了提前安全预警的目的。

步骤402，获取虚拟射线垂直地面被动感应返回相对航高；

在实际应用中，虚拟射线的目的是为了获取从虚拟飞行器体到三维场景中地面的距离也就是相对航高。由于虚拟飞行器体位置是真实飞行器在三维场景中的映射，所以获取的相对航迹就是真实飞行器的相对航高。

具体为，通过虚拟射线算法参数模型，虚拟射线需要垂直于地面发射，当虚拟射线碰到地面的时候就会返回距离和虚拟射线垂直交于地面的坐标。

步骤403，获取基于导航引导线的飞行器360度偏航距离；

通过三维导航引导线偏航算法参数模型实时监控360度偏离引导线的距离，其中参数为偏航的阀值；引导线为轴心，阀值为半径的圆为安全偏航范围。

步骤404，基于被动式获取的危险障碍物位置和方向，相对航高，偏航距离响应设定的阀值发出视觉、听觉预警；

具体为，虚拟飞行器通过卫星定位同步飞行器的实时位置和方向。通过虚拟碰撞球被动方式获取飞行器11点钟，12点种，1点钟方面的危险障碍物的位置和方向；通过虚拟射线算法参数模型获取飞行器垂直到地面的相对航高；通过基于导航引导线的偏航算法参数模型实时计算出偏航距离。以上三项被动式获取值相应设置的预警阀值屏幕显示报警信息(包括图像画面颜色闪烁和文字信息)，同步发出声音预警(包括语音预警和鸣笛声音预警)。

步骤405，保存预警信息记录；

具体为，对虚拟碰撞球被动感应危险障碍物返回预警信息；虚拟射线返回的相对航高预警是信息；导航引导线偏航预警信息等预警信息记录保存在本地装备中，如果网络连通的情况下可以同步到服务器。

如图5所示，一个实施例中一种飞行器被动式避障导航方法的原理示意图。

具体为：

501为飞行器前进方向的十二点钟方向虚拟碰撞球。

由于十二点钟方向为主要预警方向，分别不同的距离放置8个半径预先设定的虚拟碰撞球，具体虚拟碰撞球数量、半径和距离可以根据需要进行调整。主要用于在三维场景中被动感知危险障碍物。

502为飞行器前进方向的十一点钟方向虚拟碰撞球。

十一点钟方向主要是考虑飞行器前进方向的的偏左方向的预警，分别放置 2个虚拟碰撞球，具体虚拟碰撞球数量、半径和距离可以根据需要进行调整。主要用于在三维场景中被动感知危险障碍物。

503为飞行器前进方向的一点钟方向虚拟碰撞球。

一点钟方向主要是考虑飞行器前进方向的的偏右方向的预警，分别放置2 个虚拟碰撞球，具体虚拟碰撞球数量、半径和距离可以根据需要进行调整。主要用于在三维场景中被动感知危险障碍物。

504为飞行器左舵方向虚拟碰撞球。

左舵方向主要是考虑飞行器左方向的预警，分别放置1个虚拟碰撞球，具体虚拟碰撞球数量、半径和距离可以根据需要进行调整。主要用于在三维场景中被动感知危险障碍物。

505为飞行器右舵方向虚拟碰撞球。

右舵方向主要是考虑飞行器右方向的预警，分别放置1个虚拟碰撞球，具体虚拟碰撞球数量、半径和距离可以根据需要进行调整。主要用于在三维场景中被动感知危险障碍物。

506为飞行器虚拟体。

飞行器虚拟体可以结合实际大小可以建模孪生仿真真正飞行器尺寸。

如图6所示，为一个实施例中一种飞行器被动式避障获取相对航高的示意图；

具体为：

601为飞行器虚拟体；

飞行器虚拟体可以结合实际大小可以建模孪生仿真真正飞行器尺寸。

602为可变虚拟碰撞检测体；

该可变虚拟碰撞检测体可以根据航高预警阀值调整长度，作用于航高预警。主要用于在三维场景中被动感知危险障碍物。

603为虚拟垂直射线；

该虚拟射线以飞行器虚拟体为中心垂直地面方向射线，获取飞行器虚拟体到三维场景中地面的距离即相对航高。

604为三维场景中的地面地物；

图7、图8、图9为一个实施例中一种飞行器被动式避障作业步骤的示意图；

其中图7

步骤701、702为引入三维场景数据和避障导航数据及参数过程；

步骤701响应于所述三维场景数据获取请求，一般创建三维场景数据包括但不限于三维点云模型、三维倾斜实景模型、三维电子沙盘模型、精细建模模型等，以上数据均需具有地理信息绝对坐标；也可通过本地文件引入。

步骤702响应于避障和导航所需计算模型与参数的请求，一般包括避障参数模型、导航偏航参数模型、三维导航引导线航点等计算模型和配置阀值参数；也可以通过本地文件和设置引入。

其中图8

步骤801、802、803为创建创建三维场景和避障导航要素过程；

步骤801把从服务器或者本地引入的三维场景数据包括三维点云模型、三维倾斜模型，精细建模模型，电子沙盘模型等通过坐标转换引擎坐标后加载进入引擎。

步骤802基于避障和导航参数创建避障参数模型和三维导航引导线；

步骤803创建绝对坐标(地理坐标)三维场景和要素

其中图9

步骤901、902、903、904、905、906、907、908为实施例中一种飞行器被动式避障作业过程；

步骤901按参数放置虚拟碰撞球，其中的参数包括虚拟碰撞球的半径大小，虚拟碰撞球的感应范围距离、数量、方向，位置等；

步骤902虚拟碰撞球与虚拟飞行器体相对距离方位固定，通过获取卫星定位获取位置、速度、方向俩保持与飞行器一致；

步骤903当虚拟碰撞球感应到危险障碍物侵位重叠，将出发事件；

步骤904虚拟碰撞球被动感应到危险障碍物后通过避障参数模型计算出障碍物的位置、方位。

步骤905同时垂直地面虚拟射线实时计算返回相对航高以及可变虚拟碰撞检测体，实现飞行器向下方位的危险预警和航高预警的被动式感知；

步骤906通过参数模型计算筛选虚拟碰撞球和垂直地面虚拟射线返回信息，主要目的是筛选掉属于预警范围的信息。

步骤907当在三维场景中被动感应到障碍的时候，设备装置将从屏幕闪烁提醒，从扬声器发出语音提醒或鸣笛提醒以及文字信息提醒。

步骤908记录当前的避障预警信息，包括飞行器的坐标，方位，航高，速度等信息。

其中图10

步骤1001、1002、1003、1004、1005、1006、1007、1008为实施例中一种飞行器被动式导航作业过程；被动式导航主要是通过三维场景中创建导航引导线，飞行器以导航引导线进行作业飞行。

步骤1001通过服务器下载或者本地输入航路节点信息，主要包括坐标信息，航路名，航点命名等相关信息；

步骤1002根据航路节点信息在三维场景中创建导航引导线；

步骤1003设置偏航阀值，阀值指飞行作业中飞行器偏离导航引导线的最大允许距离。

步骤1004通过卫星定位，使虚拟飞行体的在三维场景中的坐标位置方向同步飞行器坐标位置方向。

步骤1005基于卫星定位信息同步和导航引导线计算出围绕导航引导360 度范围的偏航距离。

计算原理为：虚拟飞行器f在航路节点a和b之间飞行，其中ab的距离通过坐标计算出Sab；af的距离通过坐标计算得出Saf；bf的距离可以通过坐标计算出Sbf；Ss为偏航半周；偏航距离为Sph；

a(ax，ay)；b(bx，by)；f(fx，fy)

步骤1006通过返航参数模型计算筛选返回偏航信息。

步骤1007当在飞行器偏航值大于偏航阀值的时候，设备装置将从屏幕闪烁提醒，从扬声器发出语音提醒或鸣笛提醒。

步骤1008记录当前的偏航信息，包括飞行器的偏航坐标，相对航高，速度等信息。

为了使本领域技术人员能够更好地理解上述步骤，以下通过一个例子对本申请实施例加以示例性说明，但应当理解的是，本发明实施例并不限于此。

应该理解的是，虽然图1-12的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1-12中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

关于一种飞行器被动式避障导航装置的具体限定可以参见上文中对于一种飞行器被动式避障导航方法的限定，在此不再赘述。上述一种飞行器被动式避障导航装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图15所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储生成飞行器被动式避障导航的相关数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现以上所述的飞行器被动式避障导航方法。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图15所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种飞行器被动式避障导航方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图11或图12中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

向服务端发送针对目标区域避障导航数据获取请求；其中，所述包括目标创建三维场景数据和避障导航模型参数；

接收所述服务端针对所述数据获取请求返回的目标区域避障导航数据；

其中，所述服务端用于响应所述数据获取请求，获取所述目标区域三维场景数据，并根据所述三维场景数据、所述避障导航参数数据；实现一种飞行器被动式避障导航方法所需。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。