无人机目标跟踪的轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机目标跟踪的轨迹生成方法。

背景技术

目前，民用无人机主要分为消费级和工业级两类，其中，消费级无人机多用于个人航拍、娱乐等领域；工业级无人机则在农业、巡检、物流、救援等领域有众多应用，由于无人机因具有高机动性、低成本、操作灵活等优势，得到了空前的开发和运用，其中基于对目标的跟踪是具有重要的价值。

例如在消费级的无人机作业时，它可以从很远的地方跟踪拍摄对象，对于电影制作人、视频博主，甚至是想要捕捉生活瞬间和记忆的日常用户均使用频繁，然而目前的无人机的跟踪方案中，由于目标与无人机同样处于运动状态，时常会因目标运动超出无人机的数据捕捉范围，导致用户移动时无人机不会跟随，再者，由于目标与无人机同样处于运动状态，无人机生成的跟踪轨迹能够快速到达目标的位置也显得尤为重要。

发明内容

本发明主要针对上述无人机跟踪时存在的问题，发明了一种无人机目标跟踪的轨迹生成方法，无人机和人体穿戴的设备均内置了GPS模块，在GPS时间某时刻进行伪距测量，计算得到有关伪距的非线性方程组并重复迭代计算以减少由于大气折射或电磁波在大气层中传播速度造成的误差，得到设备和无人机的坐标；于带权有向图的搜索，具体根据边是否具备特定方向可分无向图和有向图，给每条边加上权值即成为带权图，将无人机和人体的坐标，看做两个端点，代表起点和终点根据Dijkstra算法算出图中的最短轨迹。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：一种无人机目标跟踪的轨迹生成方法，采用内置GPS模块的无人机和人体穿戴的内置GPS模块的设备，包括如下步骤：

S1：设定设备和无人机之间距离初始值me和设定设备静止时无人机拍摄的飞行轨迹；

S2：人体处于非静止状态时，人体穿戴的设备和无人机生成伪码；

在GPS时间某时刻进行伪距测量；得到有关伪距的非线性方程组，并重复迭代计算；

S3：反复迭代计算后，得到设备的空间坐标和无人机的坐标；

S4：根据空间坐标系的公式计算设备和无人机之间的距离；

S5：距离小于等于距离初始值me无人机将按照用户提前设定的轨迹飞行；

S6：距离大于距离初始值me开始计算无人机跟随用户移动轨迹；

采用Dijkstra算法在带权有向图中计算最短路径的方法，从起点开始的会去寻找跟自己最近的顶点，并添加到集合中，添加以后再次寻找和自己距离最近的顶点，每次都在上一次的基础上继续得到下一条距离最近的顶点并添加到集合中一直到设定的终点顶点被添加到了集合中；

S7：得到从无人机的起点到达人体目标点的最短移动轨迹。

作为优选，所述得到有关伪距的非线性方程组，并重复迭代计算得到得到设备的空间坐标和无人机的坐标具体为：

在GPS时间t时刻，设备时间t

t

每颗卫星的卫星时间和GPS时间也不严格同步，在GPS时t时刻，编号为i的卫星时间记为t

t

δt

ρ(t)＝c(t

假设在空间直角坐标系下，设备的坐标向量为[x，y，z]

钟差δtu未符合要求，由于方程组皆为非线性方程组，通过最小二乘法将其降次到线性方程组来求解，在K次迭代时，方程组可以在(x

把左边的系数矩阵标记为U，等号右边的向量为b，那么对于这个方程的最小二乘解为：

最后在k次迭代的(x

作为优选，所述空间坐标系的公式计算设备和无人机之间的距离具体公式为：

最后得出设备和无人机之间的距离。

作为优选，所述采用Dijkstra算法在带权有向图中计算最短路径的方法具体为：已知无人机和设备的坐标，可以看做两个端点，分别代表起点和终点，无人机去到设备有很多条方案可以选择，根据Dijkstra可以算出两端的最短路径；

第一次选择V2作为第一个起始点，并且解锁和V2相邻的点V3，V6，无人机——V2的距离更新为3，查看无人机到V3的距离是无人机——V3＝10或者无人机——V2——V3＝8，无人机到V3的距离更新为8，查看无人机到V6的距离路径只有无人机——V2——V6＝15，没有其他路径，无人机到V6的距离更新为15；

第二次V2走过了，查看从起点出发V1最小，解锁和V1相邻的V3V4，查看无人机到V3的距离是无人机——V2——V3＝8或者无人机——V1——V3＝7，无人机到V3的距离更新为7，查看无人机到V4的距离是无人机——V1——V4＝12，没有别的路径，无人机到V4的距离更新为12；

第三次V1V2走过了，发现起点出发V3最小，解锁和V3附近的V5V4，查看无人机到V4的距离是无人机——V1——V3——V4＝10或者无人机——V1——V4＝12，无人机到V4的距离更新为10；

第四次V1V2V3相邻的都走过了，V3跟V4距离最近，解锁和V4相邻的设备和V5，查看无人机到V5的距离是无人机——V1——V3——V4——V5＝13或者无人机——V1——V3——V5＝19，无人机到V5的距离更新为13，查看无人机到设备的距离是无人机——V1——V3——V4——设备＝15，此时没有其他顶点和设备相邻，无人机到设备的距离更新为15；

第五次V1V2V3V4相邻的都走过了，V3和V5是最近的，解锁和V5相邻的设备查看无人机到设备的距离是无人机——V1——V3——V4——设备＝15或者无人机——V1——V3——V5——设备＝14，无人机到设备的距离更新为14；

第六次V1V2V3V4V5相邻的都走过了，到达设备，查看没有和设备相邻的点，结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、无人机和人体穿戴的设备均内置了GPS模块，在GPS时间某时刻进行伪距测量，计算得到有关伪距的非线性方程组并重复迭代计算以减少由于大气折射或电磁波在大气层中传播速度造成的误差，有利于得到设备和无人机精确的坐标；2、基于带权有向图的搜索，具体根据边是否具备特定方向可分无向图和有向图，给每条边加上权值即成为带权图，将无人机和人体的坐标，看做两个端点，代表起点和终点根据Dijkstra算法有利于计算出在带权有向图中的最短轨迹。

附图说明

图1为本发明本发明提供的流程图；

图2为本发明的带权有向图；

图3为本发明轨迹生成运算时的带权有向图；

图4为本发明的设定部分参数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所表示的实施例对本发明作进一步描述：

本发明提供的一种无人机目标跟踪的轨迹生成方法，其中无人机和设备内部均内置了GPS模块，其中设备是指手机或手表等内置GPS的设备，并且人体需要带着这种设备；无人机或设备中的GPS系统工作主要由三部分组成：空间卫星部分、地面控制部分和用户接收部分，当地面控制部分检测到空间卫星发送来的信号，会处理这些信号，确认卫星的运行轨道后将信息返回给卫星，卫星收到信息后转播到自己的信号频段；而无人机或设备捕获卫星转播后的信号，获得自己所需要的空间坐标。

空间由24颗卫星构成，卫星的在轨道上的运行周期为11小时58分钟，此时地球也在自转，那么每23小时56分钟对于地面来说卫星的分布就会重复一次。这种方式可以让地球上每时每刻至少能观测到至少4颗卫星，进而提供更加准确的定位。

地面控制部分包括主控站、注入站、监测站，主控站负责接收并处理监测站发送的数据，并将下达命令给注入站。主控站就是整个系统的CPU，注入站就相当于命令控制中心，在主控站的掌控之下将控制命令以及导航电文发送给卫星，通导航卫星→监测站→主控站→注入站→导航卫星的信息传递方式，GPS导航卫星得以正常运行。

下面结合附图详细说明本申请提供的无人机目标跟踪的轨迹生成方法：

S1：如图4所示，用户提前设定设备和无人机之间的距离初始值me和设定人体静止时无人机拍摄的飞行轨迹。

S2：如图1所示，人体处于非静止状态时，设备和无人机生成伪码，得到有关伪距的非线性方程组，解出符合预期的值，定位设备和无人机当前的位置，其中设备和无人机的定位方式同理，例如在设备较佳的定位过程中，需要通过伪距获的方式获得，具体为：

S21：进行伪距测量，在GPS时间t时刻，设备时间t

t

每颗卫星的卫星时间和GPS时间也不严格同步，在GPS时t时刻，编号为i的卫星时间记为t

t

δt

ρ(t)＝c(t

在步骤S21中伪距是利用卫星信号传送到设备的时间来测量的，然而两个时钟不可避免存在钟差，且信号在传播过程中还要受到大气折射等因素的影响，而且电磁波在大气层中传播速度比在真空中的速度更慢，通过光速和时间测量的距离，会和直接测得的距离会有一定的误差，所以称作伪距。

S22：假设在空间直角坐标系下，设备的坐标向量为[x，y，z]

以及非线性方程组

S23：钟差δtu未符合要求，由于方程组皆为非线性方程组，通过最小二乘法将其降次到线性方程组来求解，在K次迭代时，方程组可以在(x

接着把左边的系数矩阵标记为U，等号右边的向量为b，那么对于这个方程的最小二乘解为

在k次迭代的(x

在步骤S2中伪码是噪声码PRN，它具有接近随机序列的良好相关性以及又能够重复使用的能预先确定的序列，非常适合用于通信系统当中，用于发送和接收GPS信号。

S3：钟差δtu符合要求，停止计算，得到设备的空间坐标和无人机的设备坐标。

S4：利用空间坐标系的公式

计算设备和无人机之间的距离di。

S5：距离di小于或等于设定值，无人机将按照用户提前设定的轨迹飞行。

S6：di大于设定值me，无人机算出到达人体的移动轨迹，具体为：

S61：在已知的环境中规划出最优路径，无人机中内置了导航系统，导航的关键技术包括定位和路径规划，定位已在步骤S4中求出，主要基于带权有向图的搜索。

S62：请参照说明附图3，根据步骤S4中求出的无人机和设备的坐标，并看做两个端点，分别代表起点和终点，无人机去到设备有很多条方案可以选择，根据Dijkstra算法可以算出两端的最短路径，具体为：

S621：第一次选择V2作为第一个起始点，并且解锁和V2相邻的点V3，V6，无人机——V2的距离更新为3，查看无人机到V3的距离是无人机——V3＝10或者无人机——V2——V3＝8，无人机到V3的距离更新为8，查看无人机到V6的距离路径只有无人机——V2——V6＝15，没有其他路径，无人机到V6的距离更新为15。

S622：第二次V2走过了，查看从起点出发V1最小，解锁和V1相邻的V3V4，查看无人机到V3的距离是无人机——V2——V3＝8或者无人机——V1——V3＝7，无人机到V3的距离更新为7，查看无人机到V4的距离是无人机——V1——V4＝12，没有别的路径，无人机到V4的距离更新为12。

S623：第三次V1V2走过了，发现起点出发V3最小，解锁和V3附近的V5V4，查看无人机到V4的距离是无人机——V1——V3——V4＝10或者无人机——V1——V4＝12，无人机到V4的距离更新为10。

S624：第四次V1V2V3相邻的都走过了，V3跟V4距离最近，解锁和V4相邻的设备和V5，查看无人机到V5的距离是无人机——V1——V3——V4——V5＝13或者无人机——V1——V3——V5＝19，无人机到V5的距离更新为13，查看无人机到设备的距离是无人机——V1——V3——V4——设备＝15，此时没有其他顶点和设备相邻，无人机到设备的距离更新为15。

S625：第五次V1V2V3V4相邻的都走过了，V3和V5是最近的，解锁和V5相邻的设备查看无人机到设备的距离是无人机——V1——V3——V4——设备＝15或者无人机——V1——V3——V5——设备＝14，无人机到设备的距离更新为14。

S626：第六次V1V2V3V4V5相邻的都走过了，到达设备，查看没有和设备相邻的点，结束。无人机与设备移动都会获得新的空间坐标

请参照说明附图2，在步骤S62中的Dijkstra算法：基于由顶点和顶点间的边集合组成，根据边是否具备特定方向可分无向图和有向图，给每条边加上权值即成为带权图，最开始集合只包含起点，从起点开始的x0会去寻找跟自己最近的顶点，并添加到集合中，添加以后再次寻找和自己距离最近的顶点，每次都在上一次的基础上继续得到下一条距离最近的顶点并添加到集合中，一直到设定的终点顶点被添加到了集合S中，这一条路径即为从起点到达目的端点的最短路径。

S7：无人机按照步骤S621至步骤S626中计算的最佳路径进行移动。

在步骤S7中无人机与设备移动都会获得新的空间坐标，通过Dijkstra和带权有向图可以规划出最短路径，让无人机每次都能以最佳路径跟踪着设备实现导航。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。