一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法，本发明专利技术将激光雷达挂载飞行引入飞前仿真中，可以获得作业区精确的DSM数据，为低空飞行仿真提供更全面的高程数据；提出的低空飞行仿真方法可以准确仿真出规划航迹上无人机低空飞行的各种状态，评估无人机飞行航迹内地面障碍物(信号塔、电线杆、高大的树木、建筑物、高楼、桥梁等)对无人机飞行安全是否产生危害,从仿真结果可以直观分析出无人机低空飞行过程中对地的飞行高度，判断出此航迹内无人机超低空飞行的安全性,可以降低对现有技术的更改幅度，提高工作效率，确保无人机飞行的安全，规避无人机在实际飞行中撞山的可能，有效的辅助无人机航空物探作业工作。

【技术实现步骤摘要】
一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法
本专利技术涉及一种低空飞行仿真方法，尤其涉及一种应用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法，属于无人机航空物探作业领域。
技术介绍
目前，航空物探(航空地球物理勘探，是物探方法的一种。它是通过飞机上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化，研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法。)以有人机为主要载体，在取得可喜效果的同时面临的问题也日益凸显，而无人机在很大程度上成为解决相关问题的有效途径。其一，有人机危险性大。为了取得好的地质矿产探测效果，航空物探方法要求飞行高度很低，但超低空飞行危险性高。近年来，随着航空物探作业量的增加，航空物探作业飞机出现事故的概率也在增加。2008年6月一架航空物探作业飞机在内蒙失事，三死一伤；2011年3月一架航空物探作业飞机在新疆失踪，机上三人下落不明；2011年11月，一架航空物探作业飞机在河北唐山迫降，所幸没有人员伤亡。而无人机人身伤亡的概率极低，大大降低了航空物探作业的风险。其二，有人机成本极高。航空物探项目总经费超过65％用于租机，严重制约了先进航空物探系统的自身技术发展和大规模推广应用。尤其是具有“多、小、快、灵”特点的小面积大比例尺探测任务常常因为航空物探过高的门槛被拒之门外。与有人机相比，无人机整体上有明显的成本优势，为大规模推广提供了可能性。其三，有人机灵活性差。有人机对于起降条件、地勤支持等要求很高，野外作业能力差；无人机起降条件要求低，准备时间短，无人机可以工作在低速状态更有利于航空物探数据采集，并且具有更强的高原作业能力。其四，有人机管控严格。因为我国对有人机管制严格，空域申请和航空物探飞机放飞手续繁杂，常常不能按时完成航空物探任务。我国已经在酝酿放开低空空域管制，对于无人机开发和应用是极大的促进。另外，无人机可以在夜间飞行，大大提高了飞行效率。然而，将无人机应用于航空物探领域，面临的最大困难是需要无人机飞行平台能够以超低空沿地形起伏飞行，需要无人机能够较好的对地形进行跟踪并稳定飞行。无人机低空沿地形起伏飞行过程中，由于飞机自身的飞行特性、爬升能力特性、对未知障碍物的不可预知等特性，对于坡度较大的山地地形，起伏落差较大的丘陵地形，或者较高的地面障碍物以及小山，无人机会有与其相撞的风险，造成无人机飞行事故。因此，在无人机对规划航迹进行作业飞行之前，其低空飞行仿真显得十分重要。无人机飞行的数学仿真和半实物仿真作为实验飞行的重要一环，为无人机的设计、控制策略研究提供飞行试验平台。无人机飞前的仿真能够有效的发现规划航迹中的危险区域，能够得出无人机沿地形飞行过程中的各项参数状态，能够得出无人机低空飞行过程中无法避开障碍物所在的地理位置。目前，对于应用于无人机航空物探的低空飞行仿真的有效方法很少，本专利技术可以有效的仿真出规划航迹上无人机低空飞行的各种状态，从仿真结果可以直观分析出无人机低空飞行过程中对地的飞行高度，判断出此航迹内无人机超低空飞行的安全性，规避无人机实际飞行中撞山的可能。同时本专利技术提出的方法可以有效的降低无人机航空物探的飞行工作量。数字高程模型(DigitalElevationModel，缩写DEM)是一定范围内规则格网点的平面坐标(X，Y)及其高程(Z)的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息。数字表面模型(DigitalSurfaceModel，缩写DSM)是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。和DEM相比，DEM只包含了地形的高程信息，并未包含其它地表信息，DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。是最真实地表达地面起伏情况，可广泛应用于各行各业。如在森林地区，可以用于检测森林的生长情况；在城区，DSM可以用于检查城市的发展情况；特别是当无人机进行航空物探沿地表进行低空飞行的过程中，它不仅需要数字地面模型，而更需要的是数字表面模型，这样才有可能使无人机在低空飞行过程中，逢山让山，逢森林让森林。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法，可以降低对现有技术的更改幅度，提高工作效率，确保无人机飞行的安全，规避无人机在实际飞行中撞山的可能，有效的辅助无人机航空物探作业工作。本专利技术的技术解决方案是：一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法，步骤如下：(1)针对航空物探作业区进行航迹规划；(2)挂载激光雷达的无人机根据规划的航迹按照特定气压高度飞行，激光雷达扫描飞行航迹内的全部地形，从而得到航空物探作业区内地表信息的DSM高度数据；同时获取航空物探作业区内地表信息公开的DEM高度数据；(3)将步骤(1)规划的航迹加载至无人机半实物仿真系统中，进行全程低空半实物仿真飞行，提取出半实物仿真飞行航迹的GPS点数据；(4)利用步骤(3)得到的GPS点数据对步骤(2)获得的DSM高度数据和DEM高度数据进行索引，提取出GPS点数据对应的DSM高度数据和DEM高度数据，将模拟的气压高度信息减去GPS点数据对应的DSM高度数据或DEM高度数据得到相对高度信息，模拟气压高度信息和相对高度信息进行互补滤波得到融合高度信息；(5)将步骤(4)提取的DSM高度数据和DEM高度数据、相对高度信息和融合高度信息作为低空飞行仿真程序的输入，开始进行低空飞行仿真得到包含速度、舵面角度、攻角和侧滑角信息的仿真结果；(6)判断低空飞行仿真结果是否有异常，如果其中任何一个信息有异常，则停止仿真，进行异常处理并返回步骤(1)重新进行仿真；如果低空飞行仿真结果正常，则将步骤(2)获得的DSM数据和DEM数据进行融合得到融合地形数据，将融合地形数据加入仿真结果中进行校验；(7)根据仿真结果与校验结果判断飞行轨迹上无人机低空飞行高度是否安全，如果飞行安全则将规划的航迹装载到无人机中，结束仿真；否则重新进行航迹规划，直到得到飞行安全的航迹为止。所述根据仿真结果与校验结果判断飞行轨迹上无人机低空飞行高度是否安全的方法为：仿真结果中包含模拟的气压高度、DSM高度数据和DEM高度数据，首先核对模拟的气压高度是否沿地形起伏，然后判断模拟的气压高度是否与DSM高度数据或DEM高度数据有相交的点，如果有相交的点则无人机有与地面或地面物体相撞的危险，则判定分析无人机低空飞行高度不安全；如果无相交的点，则将仿真结果中的DSM高度数据和DEM高度数据用融合地形数据进行替换，重新判断模拟的气压高度是否与融合数据有相交的点，如果仍有交点，则判定分析无人机低空飞行高度不安全，否则无人机低空飞行高度安全。所述模拟气压高度信息和相对高度信息进行互补滤波的方法为：对模拟气压高度信息进行高通滤波，滤除其中的零位误差信号；对相对高度信息进行低通滤波，滤除其中的高频噪声信号，将滤除零位误差信号的模拟气压高度信息与滤除高频噪声信号的相对高度信息进行融合得到融合高度数据。所述DSM数据和DEM数据进行融合得到融合地形数据的方法为：(a)对GPS点数据对应的DSM高度数据和DEM高度数据分别消除零位误差得到消除零位误差后的DSM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法，其特征在于步骤如下：(1)针对航空物探作业区进行航迹规划；(2)挂载激光雷达的无人机根据规划的航迹按照特定气压高度飞行，激光雷达扫描飞行航迹内的全部地形，从而得到航空物探作业区内地表信息的DSM高度数据；同时获取航空物探作业区内地表信息公开的DEM高度数据；(3)将步骤(1)规划的航迹加载至无人机半实物仿真系统中，进行全程低空半实物仿真飞行，提取出半实物仿真飞行航迹的GPS点数据；(4)利用步骤(3)得到的GPS点数据对步骤(2)获得的DSM高度数据和DEM高度数据进行索引，提取出GPS点数据对应的DSM高度数据和DEM高度数据，将模拟的气压高度信息减去GPS点数据对应的DSM高度数据或DEM高度数据得到相对高度信息，模拟气压高度信息和相对高度信息进行互补滤波得到融合高度信息；(5)将步骤(4)提取的DSM高度数据和DEM高度数据、相对高度信息和融合高度信息作为低空飞行仿真程序的输入，开始进行低空飞行仿真得到包含速度、舵面角度、攻角和侧滑角信息的仿真结果；(6)判断低空飞行仿真结果是否有异常，如果其中任何一个信息有异常，则停止仿真，进行异常处理并返回步骤(1)重新进行仿真；如果低空飞行仿真结果正常，则将步骤(2)获得的DSM数据和DEM数据进行融合得到融合地形数据，将融合地形数据加入仿真结果中进行校验；(7)根据仿真结果与校验结果判断飞行轨迹上无人机低空飞行高度是否安全，如果飞行安全则将规划的航迹装载到无人机中，结束仿真；否则重新进行航迹规划，直到得到飞行安全的航迹为止。...

【技术特征摘要】
1.一种用于无人机航空物探的低空飞行仿真方法，其特征在于步骤如下：(1)针对航空物探作业区进行航迹规划；(2)挂载激光雷达的无人机根据规划的航迹按照特定气压高度飞行，激光雷达扫描飞行航迹内的全部地形，从而得到航空物探作业区内地表信息的DSM高度数据；同时获取航空物探作业区内地表信息公开的DEM高度数据；(3)将步骤(1)规划的航迹加载至无人机半实物仿真系统中，进行全程低空半实物仿真飞行，提取出半实物仿真飞行航迹的GPS点数据；(4)利用步骤(3)得到的GPS点数据对步骤(2)获得的DSM高度数据和DEM高度数据进行索引，提取出GPS点数据对应的DSM高度数据和DEM高度数据，将模拟的气压高度信息减去GPS点数据对应的DSM高度数据或DEM高度数据得到相对高度信息，模拟气压高度信息和相对高度信息进行互补滤波得到融合高度信息；(5)将步骤(4)提取的DSM高度数据和DEM高度数据、相对高度信息和融合高度信息作为低空飞行仿真程序的输入，开始进行低空飞行仿真得到包含速度、舵面角度、攻角和侧滑角信息的仿真结果；(6)判断低空飞行仿真结果是否有异常，如果其中任何一个信息有异常，则停止仿真，进行异常处理并返回步骤(1)重新进行仿真；如果低空飞行仿真结果正常，则将步骤(2)获得的DSM数据和DEM数据进行融合得到融合地形数据，将融合地形数据加入仿真结果中进行校验；DSM数据和DEM数据进行融合得到融合地形数据的方法为：(6a)对GPS点数据对应的DSM高度数据和DEM高度数据分别消除零位误差得到消除零位误差后的DSM高度数据和DEM高度数据；(6b)对步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡永恒，尤向荣，樊自伟，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11