障碍物区域的确定方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制领域，具体而言，涉及一种障碍物区域的确定方法。

背景技术

在植保作业中，电线杆斜拉线对植保无人机是巨大的威胁，由于斜拉线非常细，直径基本在1cm以内，且材料为钢索，强度高，目前植保无人机配备的雷达和视觉避障系统，无法自动识别，所以，在植保作业中经常导致植保无人机撞上拉线导致炸机。目前的解决方案是，植保人员携带手持测绘器，在电线杆和斜拉线周围打点，标记出位置，该标记被当作障碍物，植保机会绕过该区域。但是采用植保团队携带手持测绘器测绘电线杆和斜拉线的方法工作量很大，而且有些地块，如水田等，人很难进入。另外，在高杆作物地块，如玉米地，植保人员进去之后视线被遮挡，无法发现电线杆和拉线的位置，测绘会有遗漏。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种障碍物区域的确定方法，以至少解决由于现有技术需要人工定位障碍物区域造成的障碍物区域定位效率低，准确率低且在某些地形中无法人工定位障碍物区域的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种障碍物区域的确定方法，包括：获取目标区域的三维点云数据；依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，并确定目标电线杆的斜拉线信息；依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域。

可选地，依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，包括：依据三维点云数据，确定目标区域中各个电线杆的位置，并基于各个电线杆的位置确定各个电线杆所属的电线杆群的走向；依据电线杆群的走向从电线杆群中确定目标电线杆。

可选地，依据电线杆群的走向从电线杆群中确定目标电线杆，包括：确定电线杆群的走向发生变化的拐点；确定拐点处的电线杆为目标电线杆。

可选地，确定目标电线杆的斜拉线信息，包括：确定拐点的前后走向之间的偏差角度；依据偏差角度和第一设计规则确定斜拉线的朝向，以及依据斜拉线的第二设计规则确定斜拉线与电线杆群的走向之间的目标角度，其中，第一设计规则用于指示偏差角度和斜拉线的设置位置之间的关系，第二设计规则用于指示斜拉线与电线杆群之间的相对位置关系；基于斜拉线的朝向和目标角度确定斜拉线信息。

可选地，依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域，包括：

基于目标角度和斜拉线的朝向确定斜拉线的位置；

依据三维点云数据确定目标电线杆的高度，以及斜拉线与地面的角度；

依据电线杆的高度、斜拉线与地面的角度和斜拉线的位置确定斜拉线在地面的投影信息；

基于投影信息、目标电线杆的位置和目标电线杆的高度确定障碍物区域。

可选地，依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，包括：

确定电线杆群的端点处的电线杆，并将端点处的电线杆作为目标电线杆，其中，端点处的电线杆为电线杆群的起始点处的电线杆和终点处的电线杆。

可选地，确定所述目标电线杆的斜拉线信息，包括：确定端点处的电线杆对应的斜拉线数量。

可选地，依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域之前，方法还包括：在人机交互界面中展示三维点云数据；在人机交互界面中接收目标对象的选择指令，确定选择指令对应的目标检测位置；在人机交互界面中展示与目标检测位置对应的原始图像；接收目标对象基于原始图像反馈的反馈信息，并在反馈信息指示存在斜拉线时，确定斜拉线信息有效。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种障碍物区域的确定装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取目标区域的三维点云数据；第一确定模块，用于依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，并确定目标电线杆的斜拉线信息；第二确定模块，依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域。

可选地，第一确定模块还用于确定目标区域中电线杆群的走向，电线杆群的走向发生变化的拐点，以及目标电线杆的高度。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种非易失性存储介质，其特征在于，非易失性存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制非易失性存储介质所在设备执行上述的障碍物区域的确定方法。

在本发明实施例中，采用获取目标区域的三维点云数据；依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，并确定目标电线杆的斜拉线信息；依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域的方式，通过图像分析，达到了定位障碍物区域的目的，从而实现了自动定位障碍物区域的技术效果，进而解决了由于现有技术需要人工定位障碍物区域造成的障碍物区域定位效率低，准确率低且在某些地形中无法人工定位障碍物区域技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种障碍物区域的定位方法的流程示意图；

图2a、图2b和图2c是根据本发明实施例的不同的电线杆群走向对应的不同斜拉线的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种障碍物区域的示意图；

图4是根据本发明实施例的一种障碍物区域的定位装置的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的另一种障碍物区域的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例，提供了一种障碍物区域的确定方法的方法实施例，需要说明的是，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。

图1是根据本发明实施例的一种障碍物区域的确定方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取目标区域的三维点云数据；

在本申请的一些事实例中，可以使用航测无人机对目标区域进行测绘，或者通过查阅目标区域的历史航测图像资料，得到目标区域的原始图像数据，然后对原始图像数据进行三维重建来得到目标区域的三维点云。

需要说明的是，原始图像的数据格式可以为JPG等常见的图像存储格式，也可以为其他的格式。另外，同存储格式一样，本申请中对原始图像的色彩模式也不做限制，即原始图像的色彩模式可以是RGB或者YUV或者任意其他色彩模式。

步骤S104，依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，并确定目标电线杆的斜拉线信息；

需要说明的是，目标电线杆的斜拉线信息包括斜拉线的空间位置信息以及数量信息。其中空间位置信息包括斜拉线相对于地面的角度和斜拉线相对于电线杆群的排列方向以及排列方向的转折角之间的位置关系。

在本申请的一些实施例中，依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆，首先需要依据三维点云数据来确定目标区域中各个电线杆的位置，并基于各个电线杆的位置确定各个电线杆所属的电线杆群的走向，然后依据电线杆群的走向从电线杆群中确定目标电线杆。

在本申请的一些实施例中，目标区域可以是一片需要无人机来施行喷洒作业的农田。按照相关电力规范中，对架空输电线路与地面或者地面上杂物的距离要求，电线杆通常是显著高于周围的农作物的，反映到目标区域的三维点云中，就是象征电线杆的三维点相对于附近的地势，是明显凸起的。这样依据目标区域的三维点云中，象征电线杆的点凸起的特征，可以从三维点云中将所有的电线杆挑选出来，从而得到目标区域中所有的电线杆群。

得到目标区域中所有的电线杆群后，还需要确定这些电线杆群的走向变化情况。这里所说的电线杆群的走向指的是电线杆群的排列方向。通常电线杆群是朝着一个确定的方向沿直线排列的，但是在某些情况下，电线杆群的排列方向会发生改变，如图 2a和图2c。

可选地，依据电线杆群的走向从电线杆群中确定目标电线杆，包括：确定电线杆群的走向发生变化的拐点；确定拐点处的电线杆为目标电线杆。

电线杆群的拐点也就是电线杆群的排列方向从一个方向转变为另一个方向的点，如图2a和图2c。通过对拐点处的电线杆进行受力分析可知，和附近的非拐点的电线杆相比，架空输电线路会给拐点处的电线杆一个沿着转折角的补角的角平分线方向的拉力。为了平衡这个拉力，需要为拐点处的电线杆加设一条或多条一端固定在电线杆上，另一端固定在地面上的斜拉线，如图2a和图2c所示。另外，从图2a和图2c中可以看出，斜拉线的数量与电线杆群的排列方向的转折角有关，当转折角的度数小于 90°时，拐点处的目标电线杆的斜拉线数量为两根；当转折角的度数为90°时，拐点处的目标电线杆的斜拉线数量为一根。

需要说明的是，电线杆群的排列方向的转折角指的是电线杆群的改变后的排列方向与初始的排列方向的延长线的夹角，以图2a为例，图中所示的电线杆群的排列方向的转折角为图中的α，且α+θ＝180°。

在本申请的一些实施例中，为了确定目标电线杆的斜拉线信息，首先需要确定拐点的前后走向之间的偏差角度；然后依据偏差角度和第一设计规则确定斜拉线的朝向，以及依据斜拉线的第二设计规则确定斜拉线与电线杆群的走向之间的目标角度，其中，第一设计规则用于指示偏差角度和斜拉线的设置位置之间的关系，第二设计规则用于指示斜拉线与电线杆群之间的相对位置关系；最后基于斜拉线的朝向和目标角度确定斜拉线信息。其中，斜拉线的朝向指的是斜拉线相对于地面的角度。

需要说明的是，拐点的前后走向之间的偏差角度即为上文所述的电线杆群的排列方向的转折角。第一设计规和第二设计规则可以是依据行业的相关规范，如电力设计规范等。第一设计规则和第二设计规则除了用于指示斜拉线的位置相关的信息外，还用于确定偏差角度和斜拉线的数量之间的关系。

具体来说，如上文所述，偏差角度与斜拉线的数量之间的关系为：当转折角的度数小于90°时，拐点处的目标电线杆的斜拉线数量为两根；当转折角的度数为90°时，拐点处的目标电线杆的斜拉线数量为一根。

在本申请的一些实施例中，障碍物区域可以是由一根斜拉线，斜拉线在地面的投影和目标电线杆组成的第一类障碍物区域，也可以是由多根斜拉线组成的第二类障碍物区域。对于第一类障碍物区域，因为组成该类障碍物区域的斜拉线只有一根，因此目标区域中第一类障碍物区域的数量与斜拉线的数量是相等的。

在本申请的一些事实例中，依据上述第一设计规则和第二设计规则，如图2a所示，当电线杆群的转折角为锐角α时，斜拉线在转折角α的补角θ的角平分面上；如图2c 所示，当电线杆群的转折角为直角时，斜拉线有两条，且从俯视图来看，两条斜拉线分别在电线杆群的两个排列方向的延长线上。另外斜拉线与地面的角度一般为45°，如图3。

步骤S106，依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域。

在本申请的一些实施例中，想要依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域，还需要基于目标角度和斜拉线的朝向确定斜拉线的位置，其次依据三维点云数据确定目标电线杆的高度，以及斜拉线与地面的角度；然后依据电线杆的高度、斜拉线与地面的角度和斜拉线的位置确定斜拉线在地面的投影信息，包括投影的位置和长度等；最后基于投影信息、目标电线杆的位置和目标电线杆的高度确定障碍物区域。

需要说明的是，上文所述的斜拉线在地面的投影，是斜拉线相对于地面的正投影。

在本申请的一些实施例中，目标电线杆的高度可以通过电线杆顶端的点在竖直方向上的坐标分量，减去电线杆底部的与地面接触的点在竖直方向上的坐标分量来获得。

在本申请的一些实施例中，在依据三维点云数据确定目标区域中电线杆群的目标电线杆时，除了电线杆群的拐点处的电线杆为目标电线杆外，电线杆群的端点处的电线杆也是目标电线杆，其中，端点处的电线杆指的是电线杆群的起始点处的电线杆和终点处的电线杆。

同样地，当目标电线杆为端点处的电线杆时，仍需要执行上文所述的步骤，确定端点处的目标电线杆的斜拉线信息，包括确定斜拉线的数量，与地面的角度，但不包括与转折角的关系，因为端点处的目标电线杆不存在电线杆群的排列方向在此处发生改变的问题。对端点处的电线杆进行受力分析，可以得出端点处的电线杆会受到架空输电线路给的一个与电线杆排列方向在一条线上的拉力，因此，需要有一条斜拉线来为目标电线杆提供一个反方向的力来抵消拉力。所以对于端点处的目标电线杆，从俯视图来看，目标电线杆对应的斜拉线与电线杆群的排列方向在一条直线上，如图2b。

为了便于理解基于投影信息、目标电线杆的位置和目标电线杆的高度确定障碍物区域的具体方法，下面结合实例具体说明根据上述信息确定障碍物区域的方法。

如图3所示，已经基于三维点云，得到了目标电线杆的高度为h，并通过步骤S104所述的方法，确定了斜拉线相对于地面的角度为45度，以及斜拉线在地面的投影的位置。因为电线杆都是垂直于地面的，所以电线杆，斜拉线在地面的投影，斜拉线在目标区域中可以构成一个垂直于地面的等腰直角三角形区域，所以可得斜拉线的长度为

在本申请的一些实施例中，所述障碍物区域除了由目标电线杆，斜拉线，以及斜拉线在地面的投影组成的直角三角形区域(第一类障碍物区域)之外，对于如图2c 所示的一根目标电线杆对应两根斜拉线的情况，还存在第二类障碍物区域，该障碍物区域是由两根斜拉线，以及这两根斜拉线在地面上的端点的连线组成的等腰三角形区域，如图5所示。

图5中，A点为目标电线杆的顶点，B点为目标电线杆与地面接触的点，C点、D 点分别为两根斜拉线在地面上的锚点，AB表示目标电线杆，AC，AD分别表示斜拉线，BC为斜拉线AC在地面的投影，BD为斜拉线AD在地面的投影。结合图2c和图 3，可知∠ABC，∠ABD，∠CBD均为直角，且△ABC，△ABD均为等腰直角三角形。从上文可知电线杆的高度为h，既AB＝h，易得BC＝BD＝h。根据直角三角形斜边的边长计算公式，可得

在本申请的一些实施例中，为了避免程序故障造成的障碍物区域未正常识别，导致无人机在工作过程中撞到斜拉线上导致坠机，或者因把正常工作区域当做障碍物区域导致漏喷，在依据斜拉线信息确定目标区域中的障碍物区域之前，还可以向无人机操作人员在人机交互界面中展示三维点云数据，并且在人机交互界面中接收目标对象的选择指令，然后确定选择指令对应的目标检测位置。依据上述目标检测位置，在人机交互界面中展示与目标检测位置对应的原始图像；工作人员可以通过观察该原始图像，确定通过上述步骤得到的障碍物区域是否正确。

同时，当工作人员怀疑某一区域中存在未被正确识别的障碍物区域时，可以通过观测该位置的原始图像，确定该位置是否存在目标电线杆以及斜拉线。如果该区域中确实存在目标电线杆以及斜拉线，那么工作人员可以手动为该区域设置相应的障碍物区域。

为了便于理解上述步骤，下面结合一个具体实例进行解释说明。

假设现在需要确定一片农田区域中的障碍物区域的具体位置及数量。首先通过航测无人机或者查询该地区的历史地图资料库来获取目标区域，也就是农田区域的原始图像数据，该原始图像的格式不做特殊要求，可以为RGB，YUV等任意常见格式。

得到原始图像的数据后，对原始图像进行三维重建，可以得到目标区域的三维点云。然后基于电线杆显著高于周围植物及地面的特点，也就是电线杆相对于地面凸起的特征，从目标区域的三维点云中筛选出所有的电线杆，得到目标区域中所有的电线杆群的信息，包括电线杆群的数量，走向，拐点的位置以及是否有端点电线杆在目标区域中。

依据电线杆群的走向，确定出电线杆群的拐点，也就是电线杆群的走向发生变化的点，在拐点处的电线杆以及在端点处的电线杆，因为架空线路拉力的原因，会安装有斜拉线来保证受力平衡。

假设根据上述步骤，在目标区域中筛选出3个目标电线杆，其中一个电线杆为端点电线杆，如图2b，一个电线杆为拐点处的电线杆，且拐点处的电线杆群的排列方向的偏折角为锐角，如图2a，最后一个电线杆也是拐点处的电线杆，切电线杆群的排列方向的偏折角为直角，如图2c。

根据图一所示的方法，可以确定这三个目标电线杆一共有四根斜拉线，其中图2c所示的目标电线杆有两根斜拉线，且在俯视图中斜拉线的方向分别为转折前的电线杆群的排列方向和转折后的电线杆群的排列方向。其余两个目标电线杆分别有一根斜拉线，且斜拉线相对于电线杆群的排列方向的位置关系如上文所述。

因为每个目标电线杆有几根斜拉线只影响该目标电线杆处的第一类障碍物区域的数量，并不影响计算第一类障碍物区域面积以及确定第一类障碍物位置的方法，因此下面以图2a所示的目标电线杆及该电线杆对应的斜拉线为例，详述确定第一类障碍物区域的位置及面积的方法。

首先根据电线杆群的排列方向的偏折角α的大小，确定了斜拉线相对于电线杆群的位置关系，也就是说确定了障碍物区域在偏折角α的补角θ的角平分面上。然后根据电力设计的相关规范，确定所述斜拉线于地面的夹角为45°，所以可以得到与所述斜拉线对应的障碍物区域如图3所示，斜拉线，目标电线杆和斜拉线在地面上的正投影组成一个等腰直角三角形。

图中目标电线杆的高度h可以通过三维点云来确定，也可以依据架设线路的施工资料来确定。具体来说，根据三维点云来确定目标电线杆的高度h的方法为，用目标电线杆顶点的坐标在竖直方向上的分量，减去目标电线杆与地面接触的点的坐标在竖直方向上的分量。确定了电线杆的高度为h后，根据等腰直角三角形的性质，可以得到斜拉线的长度为

对于图2c所示的情况，除了第一类障碍物区域外，还存在由两根斜拉线，及两根斜拉线在地面的锚点的连线组成的第二类障碍物区域。如图5所示，第二类障碍物区域就是图中的△ACD，根据上文，△ACD三个顶点的位置均已经确定，相当于第二类障碍物区域的位置已经确定。

另外，图5中，A点为目标电线杆的顶点，B点为目标电线杆与地面接触的点，C 点、D点分别为两根斜拉线在地面上的锚点，AB表示目标电线杆，AC，AD分别表示斜拉线，BC为斜拉线AC在地面的投影，BD为斜拉线AD在地面的投影。结合图 2c和图3，可知∠ABC，∠ABD，∠CBD均为直角，且△ABC，△ABD均为等腰直角三角形。从上文可知电线杆的高度为h，既AB＝h，易得BC＝BD＝h。根据直角三角形斜边的边长计算公式，可得

通过上述障碍物区域的检测定位后，在用户准备进行植保作业时给出提示，提醒用户，在哪些位置可能存在障碍物区域，同时可以由用户选中目标区域中任意一个位置，系统会给出覆盖当前位置的原始照片，供用户辅助判断，以确定该位置是否确实存在斜拉线，也就是确定是否存在障碍物区域。如果通过原始照片仍难以判定，则用户可以移动到该位置，现场判断，最终确认斜拉线是否确实存在，然后通过系统对目标区域的障碍物区域进行对应的修改完善。

最后，根据以上步骤生成的植保障碍物区域或者由用户手动添加斜拉线障碍物区域，可以让植保无人机作业时避开，以确保植保作业安全。

通过上述步骤，可以实现通过基于目标区域的原始照片数据，自动生成植保区域的三维点云并识别出电线杆及电线杆群，根据电线杆群的走向，定位关键电线杆及确定斜拉线的相关信息，根据测量或查询得到的电线杆的高度确定斜拉线在地面的投影长度，最终自动生成针对斜拉线的障碍物区域，同时，提供该位置的原始照片以及客户现场确认两种方式，进一步确认该区域是否确实存在斜拉线，确认完毕，导入植保机进行作业，植保机即可避开斜拉线，避免炸机的问题。

图4是根据本发明实施例的一种障碍物区域的确定装置，包括：

获取模块40，用于获取目标区域的三维点云数据；

第一确定模块42，用于依据目标区域的三维点云数据确定目标区域的电线杆群及目标电线杆信息，并确定目标电线杆的斜拉线信息；

需要说明的是，上述电线杆群的信息包括电线杆群的走向，走向发生变化的点以及端点的位置；上述目标电线杆信息包括确定目标电线杆是端点处的电线杆还是拐点处的电线杆，以及拐点处的电线杆的偏折角的大小和目标电线杆的高度；斜拉线信息包括斜拉线的位置信息，及斜拉线相对于电线杆群的排列方向的位置和相对于地面的位置，以及斜拉线的数量和斜拉线投影的长度，位置等信息。

第二确定模块44，用于依据第一确定模块确定的相关信息来确定目标区域中的障碍物区域范围。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。