無人機空域安全隔離系統及方法與流程
2023-10-25 00:46:27 1
本發明涉及無人機安全技術領域，特別涉及一種無人機空域安全隔離系統及方法。
背景技術：
隨著無人機產品應用領域的愈發廣泛以及無人機的造價越來越高，無人機的飛行安全便成了一個棘手的問題。例如，如何規避多架無人機在飛行過程中的相互撞擊。以兩無人機為例，傳統的思路是通過gps定位，通過兩無人機的絕對位置測算相對位置，再通過一套算法來實現避免兩無人機的空域疊加。但是中小型無人機經常在室內執行飛行任務。其飛行高度和飛行任務特點都註定了gps導航並不適用。
另外，還包括半自駕技術，但半自駕技術只能在姿態上做一定的幹預。而全自駕無人機雖然能夠幹預路線，但是由於是預設程序，隨意性不足。不適用於例如影視航拍這類空間較小、任務靈活的工作。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的主要目的在於，提供一種無人機空域安全隔離系統及方法，系統包括：
電磁波信號發射模塊，用於向其他無人機發射預設頻段的電磁波；
電磁波信號接收模塊，用於接收其他無人機所發射的電磁波；
交變電壓仿真模塊，與所述電磁波信號接收模塊連接，用於將電磁波轉換為交變電壓；
交變電壓峰值提取模塊，與所述交變電壓仿真模塊連接，用於對輸入的交變電壓信號的峰值進行提取；
安全距離確認模塊，與所述交變電壓峰值提取模塊連接，用於依據峰值電壓確定與其他無人機的安全距離；
姿態調節模塊，與所述安全距離確認模塊連接，用於輸出調節指令，以調節無人機的航向。
由上，通過測量電磁波的方式計算無人機之間的距離，從而可以在距離過近時對航向進行調控，以避免無人機之間的相撞，實現空域的安全。
可選的，所述電磁波信號發射模塊和所述電磁波信號接收模塊分別連接一lc振蕩電路；
所述兩路lc振蕩電路的頻率不同。
由上，可以使當前無人機檢測到來自其他無人機的電磁波信息(而非自身發出的電磁波)，以便於檢測相對於其他無人機的距離。
可選的，所述交變電壓峰值提取模塊包括依次連接的：
電壓跟隨器，用於當一個電壓峰值出現時，跟隨所述電壓峰值；
電壓比較器，用於比較所接收的電壓峰值，並且存儲所述電壓的最高峰值；
峰值輸出模塊，用於輸出所述電壓峰值。
可選的，所述安全距離確認模塊包括電壓比較電路。
由上，通過將無人機間的距離以電壓形式進行呈現，進一步的，對電壓進行比較，當超過預設電壓時，即表示無人機之間的距離過近，通過上述方式，確定出安全距離。
可選的，還包括飛行狀態獲取模塊，用於檢測無人機當前的姿態；
所述姿態調節模塊還與所述飛行狀態獲取模塊連接。
由上，所述姿態調節模塊還可依據無人機當前的姿態，對於無人機的航向進行閉環調節，以確保當前無人機與其他無人機在安全距離範圍內。
可選的，所述飛行狀態獲取模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸電子羅盤。
本發明還提供一種無人機空域安全隔離方法，包括步驟：
a、當前無人機持續發射自有頻率的電磁波信號；
b、當前無人機依據所接收的其他無人機的電磁波信號，判斷與其他無人機間的距離是否過近；距離過近時進入步驟c，否則重複本步驟；
c、調整當前無人機的航向，返回步驟b。
由上，通過測量電磁波的方式計算無人機之間的距離，從而可以在距離過近時對航向進行調控，以避免無人機之間的相撞，實現空域的安全。
可選的，步驟b所述判斷與其他無人機間的距離是否過近包括：
對所接收的其他無人機的電磁波信號交變電壓仿真處理；
提取交變電壓的峰值vpeak；
以當前無人機的航向偏轉一角度α°，到達另一無人機航向的直線距離作為兩無人機的間距m，m＝avpeak，a為比例係數；
預設一安全間距m安全，m≤m安全時，表示當前無人機與其他無人機距離過近。
由上，通過將無人機間的距離以電壓形式進行呈現，進一步的，對電壓進行比較，當超過預設電壓時，即表示無人機之間的距離過近，通過上述方式，確定出安全距離。
附圖說明
圖1為無人機空域安全隔離系統的原理示意圖；
圖2為交變電壓峰值提取模塊所檢測的時域波形示意圖；
圖3為安全距離確認模塊的工作原理示意圖。
具體實施方式
為克服現有技術存在的缺陷，本發明提供一種無人機空域安全隔離系統及方法，通過測量電磁波的方式計算無人機之間的距離，從而可以在距離過近時對航向進行調控，以避免無人機之間的相撞，實現空域的安全。
如圖1所示無人機空域安全隔離系統包括以下部件：
電磁波信號發射模塊10，用於發射預設頻段的電磁波。本實施例以兩無人機為例說明，第一無人機的電磁波信號發射模塊10所發射的電磁波為1mhz，第二無人機的電磁波信號發射模塊10所發射的電磁波為2mhz。
對應的，還包括電磁波信號接收模塊20，用於預設電磁波接收頻段，以接收其他無人機所發射的電磁波。本實施例中，第一無人機的電磁波信號接收模塊20接收2mhz的電磁波，第二無人機的電磁波信號接收模塊20接收1mhz的電磁波。由此實現兩架無人機的交互隔離。
對於同一無人機，其電磁波信號發射模塊10和所述電磁波信號接收模塊20發射、接收不同頻率的電磁波，可通過加載電磁波調諧模塊(實現)，其原理是通過lc振蕩電路實現調整，即改變電感l和電容c的值，即可實現改變所述電磁波信號發射模塊10和所述電磁波信號接收模塊20的發射、接收頻率。
交變電壓仿真模塊30，與所述電磁波信號接收模塊20連接，用於將電磁波信號接收模塊20所收到的電磁波進行交變電壓仿真轉換處理。
交變電壓峰值提取模塊40與所述交變電壓仿真模塊30連接，用於對輸入的交變電壓信號的峰值進行提取。為了實現這樣的目標，電路輸出值會一直保持直到一個新的更大的峰值出現或電路復位。其時域波形如圖2所示。圖中vi表示實時電壓值，v0表示檢測過程中的一個電壓峰值，vpeak表示最終輸出的電壓峰值。
交變電壓峰值提取模塊30包括依次連接的：
電壓跟隨器，當一個新的峰值出現時，用於跟隨所接收的電壓峰值；
單向電流開關，用於控制所接收的峰值單向流動；
電壓比較器，用於比較所接收的電壓峰值，並且存儲所述電壓的最高峰值；
脈衝信號開關，用於控制接收電壓峰值的周期置零開關；
峰值輸出模塊，用於將一個周期內的電壓峰值vpeak進行抽樣、量化和編碼後輸出。抽樣是將模擬信號在時間軸上離散化的過程；量化是將模擬信號在幅度上離散化的過程；編碼是指將每個量化後的電壓峰值vpeak用二進位代碼來表示。
安全距離確認模塊50，與所述交變電壓峰值提取模塊40連接，用於依據所述交變電壓峰值提取模塊40所輸出的電壓值確定與其他無人機的距離。如圖3所示為安全距離確認模塊50的工作原理示意圖，v本體表示當前無人機(第一無人機)的航向，v目標表示另一無人機(第二無人機)的航向，預設一觀察角α。
以當前無人機的航向偏轉α°，到達另一無人機航向的直線距離作為兩無人機的間距m，即圖3中所示的初始間隔。間距m與峰值輸出模塊所檢測的電壓峰值為線性比例關係，設比例係數為a，則間距m＝avpeak。
預設一安全間距m安全，即圖3中所示的最小探測距離。所述m安全與無線電通信系統供電電壓v供電呈線性比例關係。比例係數仍為a，即m安全＝a0.75v供電。
依據所述峰值輸出模塊所輸出的電壓峰值vpeak，計算實時距離m與所述安全間距m安全的大小，當m≤m安全時，輸出安全距離預警信息。所述安全距離確認模塊50可通過電壓比較電路實現，也可以之間通過單片機實現。
較佳的，還包括一計數器，與所述安全距離確認模塊50連接，用於記錄比較次數，即當安全距離確認模塊50連續10次的比較結果均小於安全間距m安全時，方可確認兩無人機的確存在相撞危險。由此，可提高對於相撞判斷的容錯性，僅當兩無人機確實在飛行軌跡上產生相撞危險時，才進行調整。
飛行狀態獲取模塊60，用於檢測無人機當前的姿態。所述飛行狀態獲取模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸電子羅盤。通過內嵌的低功耗arm處理器輸出校準過的角速度，加速度，磁數據等，通過基於四元數的傳感器數據算法進行運動姿態測量，實時輸出以四元數、歐拉角等表示的無人機飛行的三維姿態數據，從而實時反應出無人機當前的飛行狀況。
姿態調節模塊70，分別與所述飛行狀態獲取模塊60和所述安全距離確認模塊50連接，當接收到所述安全距離確認模塊50所輸出的安全距離預警信息時，輸出調節指令，以調節無人機的航向，從而避免兩無人機相撞。
具體的，姿態調節模塊70的工作原理包括：無人機在保持當前航線的情況下，首先降低飛行速度至最小飛行速度(約2m/s-5m/s)，其次主動進行左右(先左側，如果仍然增大則向右側)規避。在規避的同時，飛控記錄飛機的偏移量。在完成規避後(用兩次電壓比較值做差，如果連續10次都為正值，則視為正在遠離)，修正偏移量。
本實施例所述方法包括以下步驟：
s10：當前無人機持續發射自有頻率的電磁波信號；
本步驟中，各無人機需滿足其自有頻率與其他無人機的頻率不相同。
s20：當前無人機接收其他無人機的電磁波信號，判斷與其他無人機間的距離是否過近；距離過近時進入步驟s30，否則重複本步驟；
本步驟的判斷原理即為安全距離確認模塊50的工作原理，不再贅述。
s30：調整當前無人機的航向，返回步驟s20。
依據所判斷的距離進行航向調整，具體調整過程即為姿態調節模塊70的工作原理，不再贅述。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明。總之，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。