1.一种在同一空域内多架跟踪无人机的协同防碰撞方法,其特征在于,具体包括以下步骤:步骤1,首先从无人机传感器发布的实时视频流中获取图像信息;
步骤2,使用OpenCV中的“跟踪器”定位目标在所述图像上的中心坐标(xo,yo);
步骤3,将步骤2中的中心坐标(xo,yo)缩放得到归一化的偏移量Δx′和Δy′,使用PID算法计算无人机的速度矢量v,用于跟踪目标.
步骤4,使用速度障碍模型对v进行碰撞检测,即检查v的末端是否处于组合的速度障碍区域内,当v的末端处于组合的速度障碍区域内,目标导向的速度优化方法用于对候选速度进行调整,进行碰撞消除;
步骤5,无人机反复执行上述步骤1-4的过程,直至完成跟踪任务。
2.根据权利要求1所述协同防碰撞方法,其特征在于,跟踪无人机的方法具体为:第1步:使用机载云台等设备采集图像信息,并回传视频数据至控制端;
第2步:在视频数据中选择无人机需要跟踪的目标,提取HOG、HSV等特征;
第3步:通过OpenCV的“跟踪器”,使用步骤2提取的HOG、HSV等特征,定位目标在图像上的中心坐标(xo,yo),即最小包围圆的圆心或最小包围矩形的中心;
第4步:计算中心坐标(xo,yo)与无人机视野中心位置(xc,yc)的在水平和竖直两个方向的绝对偏移量Δx和Δy:第5步:设置一个死区范围,宽度为w,高度为h,死区范围的中心与无人机视野中心位置重合;当|xo-xc|≤w/2时,无人机的速度方向不需调整;当|yo-yc|≤h/2时,无人机速度大小应为0,即不需要前进或者后退,否则,实施第6步;
第6步:令无人机视野画面的分辨率为xr×yr,首先对偏移量进行归一化,将Δx和Δy缩放到[-1,1],即Δx′=Δx/(xr/2),Δy′=Δy/(yr/2),则无人机在下一个时刻的速度为:v=vmaxΔy′
α=αmaxΔx′
vmax为无人机的最大速度,αmax(αmax≤π/2)为无人机仅围绕Z轴旋转的最大转角,其中,当Δy′<0时,表示应该倒退,否则应该前进;同理,当Δx′<0时,表示无人机向左旋转,否则向右旋转;
此时生成了一个新的速度矢量v=(v,α),其方向为相对于当前正前方α,速度大小为v;
第7步:重复执行上述3-6步,直至完成跟踪任务。
3.根据权利要求1所述协同防碰撞方法,其特征在于,步骤4包括以下子步骤:当空域内有多个跟踪无人机时,还需对v进行碰撞检查。
第1步:使用碰撞锥模型对“入侵者”进行筛选,选出对本机有威胁的“威胁者”,具体过程包括:对于每个处于u0的感知范围内的无人机ui,定义相对速度v0|i=v0-vi,定义射线:λ(p,v)={p+vt|t>0}
其中,无人机的状态信息以S=(p,v)表示,p=(px,py)表示无人机所处的位置,v表示无人机的速度信息;在无人机u0的感知范围内有u1,…,un也在执行任务,定义n个无人机u1,…,un为u0的“入侵者”,即||p0-pi||2≤ρSR,ρSR表示无人机的感知范围的半径,或者预警范围的半径;λ(p,v)表示起点在p,方向沿着v的方向的射线;
根据u0的半径大小对ui进行“膨化”,即ri′=ri+r0,得到位置障碍物PO0|i,定义碰撞锥CC0|i为:任何相对速度vt|i位于CC0|i内,都会导致u0和ui的碰撞,通过CC0|i筛选出对u0有威胁的无人机,记为u1,…,um(m≤n)。
第2步,定义速度障碍模型:
其中 表示闵可夫斯基矢量和运算,即:
其中,VOt|i是一系列速度的集合,所述速度的集合导致u0和ui在将来某一时刻发生碰撞;为了避免多个威胁,需要对多个VO进行组合:其中,∪表示对m个VO几何区域进行组合,因此,当v0的末端位于VO内时,进行调整,选取处于VO外的速度,以避免潜在的碰撞。
第3步,速度优化,在保证速度矢量v方向不变的情况下,在VO约束下,对无人机下一个时刻的速度v(t+1)进行优化,具体步骤为:假设VO的边界曲线为Ω,定义速度v的延长线为λ(p,v),则:P=λ(p,v)∩Ω
其中,P表示候选速度和VO边界曲线的交点。在所有交点中,选择距离p最近的那个交点Pi,作为下一个时刻速度的末端Ev,即:其中Pi表示p与i第个VO边界曲线的交点。
优化后的无人机速度为:
v′=(v′,α)=(||Ev-p||2,α)。