[发明专利]一种无人机任意图形禁飞区识别导航系统

权利要求书

1.一种无人机任意图形禁飞区识别导航系统，其特征在于，包括无人机定位导航模块(1)、飞控中心模块(2)、调度中心模块(3)、中间接口模块(4)、监控模块(5)、WebService模块(6)以及Oracle数据库模块(7)；其中：无人机定位导航模块(1)与飞控中心模块(2)相连；监控模块(5)通过中间接口模块(4)与WebService模块(6)和调度中心模块(3)分别连接；飞控中心模块(2)与调度中心模块(3)相连；飞控中心模块(2)、调度中心模块(3)和WebService模块(6)分别与Oracle数据库模块(7)进行数据交互；

所述的无人机定位导航模块(1)包括飞控中心接口模块(1-1)、接收数据解析模块(1-2)、发送数据解析模块(1-3)、GPS定位模块(1-4)、数据处理模块(1-5)、数据存储模块(1-6)、禁飞区图形判别模块(1-7)、禁飞区路由算法模块(1-8)以及无人机控制模块(1-9)；

所述的飞控中心接口模块(1-1)包括飞控中心数据接收模块(1-1-1)和飞控中心数据发送模块(1-1-2)，采用TCP/IP协议进行数据传输；所述的飞控中心数据接收模块(1-1-1)接收飞控中心模块(2)发送的指令信息，将指令信息由ASCII码转换为无人机终端二进制码，并发送给接收数据解析模块(1-2)；所述的飞控中心数据发送模块(1-1-2)，接收发送数据解析模块(1-3)解析的数据指令信息，将数据指令信息由无人机终端二进制码转换为ASCII码，并发送到飞控中心模块(2)；

所述的接收数据解析模块(1-2)，接收从飞控中心数据接收模块(1-1-1)发送的无人机终端二进制码指令信息，根据无人机产商提供的通信协议，将无人机终端二进制码指令信息解析为相应的数据指令信息，发送给数据处理模块(1-5)；

所述的发送数据解析模块(1-3)，接收数据处理模块(1-5)分类后的数据指令信息，根据无人机产商提供的通信协议，将分类后的数据指令信息以无人机终端二进制码的编码格式进行编码，并发送给飞控中心数据发送模块(1-1-2)；

所述的GPS定位模块(1-4)，接收北斗卫星导航系统的GPS信息，转换为无人机终端二进制码，发送给数据处理模块(1-5)；

所述的数据处理模块(1-5)，接收GPS定位模块(1-4)和接收数据解析模块(1-2)的GPS信息和数据指令信息并进行分类，分为上行信息和下行信息，其中，上行信息为无人机定位导航模块(1)发送到监控模块(5)的数据指令信息，包括响应信息、警报类信息和GPS信息；下行信息为监控模块(5)发送到无人机定位导航模块(1)的数据指令信息；将下行信息发送到数据存储模块(1-6)，将上行信息发送至发送数据解析模块(1-3)；

所述的数据存储模块(1-6)，接收数据处理模块(1-5)分类的下行信息，存储到无人机缓存中，当监控模块(5)发送禁飞区指令信息时，数据存储模块(1-6)将禁飞区顶点经纬度信息、实时GPS信息发送至禁飞区图形判别模块(1-7)；

所述的禁飞区图形判别模块(1-7)接收数据存储模块(1-6)的上行信息，设定告警区域，并进行告警区位置判别，将判别结果以及警报类信息发送至数据存储模块(1-6)；

所述的禁飞区路由算法模块(1-8)，接收数据存储模块(1-6)中的禁飞告警信息，执行越界趋势判断和禁飞航迹规划，确保无人机驶离禁飞区；

所述的无人机控制模块(1-9)，接收数据存储模块(1-6)的航迹规划路线，控制无人机以当前速度和规划路线飞行并回到安全区域；

所述的禁飞区图形判别模块(1-7)根据禁飞区的经纬度信息采用多边形内缩法设定告警区域，多边形内缩法即为：将多边形的各边沿着各边法线方向向内平移一定距离，依次连接平移后各边与相应顶点的角平分线的交点，构成内缩多边形，具体为：

设任意图形禁飞区顶点为A[1]A[2]A[3]...A[n]，内缩后的多边形顶点为A[1]'A[2]'A[3]'...A[n]'，则任一内缩多边形的顶点A[i]'通过以下步骤确定：第一，作A[i-1]A[i]A[i+1]的角平分线I[i]；第二，根据A[i-1]、A[i]、A[i+1]的坐标求出角A[i-1]A[i]A[i+1]的大小θ，θ<180°；第三，以d/sin(θ/2)为半径以A[i]为圆心作圆交I[i]于B[i]，则B[i]即为A[i]’，d为多边形内缩法中向内平移的距离，该距离可由监控模块(5)设定；

所述的禁飞区图形判别模块(1-7)采用水平射线交点法进行告警区位置判别，具体为：

第一，判断无人机当前位置点A是否与多边形告警区域的顶点重合，若重合则判定无人机在多边形告警区域的内部；第二，若点A不与多边形顶点重合，则以点A为起点向左作一条水平射线；第三，将多边形告警区域的各边以有向线段的形式保存，若有向线段与水平射线平行或重合则删除该有向线段，根据经纬度位置判断剩余有向线段与水平射线是否有交点，并统计交点个数；第四，若统计得到的交点个数为奇数则判定无人机在多边形告警区域的内部，否则判定无人机在多边形告警区域的外部；

所述的禁飞区路由算法模块(1-8)的越界趋势判断过程为：第一，假设任意图形禁飞区的边界是逆时针的有向线段，无人机进入某告警区域块后，固定时间间隔判断飞行方向与边的向量积，若向量积是正数则禁飞航迹规划为朝有向线段正方向转弯，否则朝有向线段负方向转弯；第二，接收数据存储模块(1-6)的实时GPS信息，在无人机前进方向，与转弯方向同侧，作圆使得圆与无人机前进方向所在直线相切，所作圆的半径r根据公式v＝2πrn得到，其中，v为无人机线速度，n为发动机转速；第三，若该圆与此区域块及相邻区域块的线段有交点，则无人机会驶入禁飞区，需执行禁飞航迹规划；

禁飞航迹规划包括两种情况：第一，若航迹规划过程中，无人机前进方向与当前区域块的内多边形所在边的方向向量垂直，此时无人机不再沿圆轨迹前进，而是沿圆切线方向飞行，直至进入内多边形安全区域，然后停止执行航迹规划；第二，若航迹规划过程中，前进方向未与当前区域块的内多边形所在边的方向向量垂直，而已经回到内部安全区域，则在回到安全区域后自动停止执行航迹规划；该航迹规划的路线，以二进制码的形式，发送给数据存储模块(1-6)。