無人機自動避撞系統的製作方法
2023-07-04 04:49:56 1
本發明涉及空中交通智能化領域，具體涉及一種無人機自動避撞系統。
背景技術：
隨著航空技術的飛速發展，無人機在軍事領域、民用領域的用途不斷拓展，無人機的飛行範圍、運行時間成倍增長，無人機與有人機共域飛行已是必然趨勢。但同時，無人機與有人機之間的飛行衝突和安全問題日益突出，而無人機自動避撞系統正是解決該問題的關鍵所在。
自動避撞系統作為無人機系統的核心組成部分，它直接關係到無人機飛行平臺的交通安全和智能化水平，也是無人機系統更為廣泛應用的主要挑戰之一。隨著空中無人機的數量和種類越來越多、無人機應用領域越來越廣，「感知-避讓」是進一步提高無人機自主化水平必須要面對問題。目前，無人機的自動避撞系統的研究還停留在基礎階段，許多理論和技術上的問題有待研究解決，因此，從實際需求出發，研究無人機自動避撞系統問題對於無人機安全飛行極其重要，也是為無人機在各個領域的應用提供關鍵的技術支撐。
當無人機與有人飛機，特別是與民用運輸機共享空域時，防相撞安全問題將是我們不得不考慮和解決的問題。自動避撞系統能夠有力提升無人機的智能化交通水平，其實質就是防止無人機與其他航空器空中相撞。有人機依靠飛行員進行態勢判斷和決策，對於無人機來說就是自動避撞系統，「自動避撞系統通過無人機自身攜帶的傳感器對空域探測，基於數據鏈路或衛星與其它有人駕駛飛機、無人機及地面站進行通訊，自動生成決策，應對各種威脅，實時更新飛行策略，確保飛行不發生相撞事故。總之，要消除無人機「非隔離空域」運行安全的隱患，使無人機具有「感知-避讓」能力是其安全飛行的必要手段。為此，必須採取必要的技術措施，研究各類飛行環境中的「感知」技術，並根據「感知」情況，研究基於無人機飛行決策、飛行控制下的衝突「避讓」技術，形成避讓方案，並自動優化及恢復航線，即研究無人機自動避撞系統。
安全問題長期得不到很好的解決是制約無人機系統發展的重要因素。由於無人機缺乏自主的「感知-避讓」能力，空中相撞事故頻頻發生，據統計，2003年到2012年美國發生了11起無人機與有人機相撞事件。而且「感知-避讓」能力不足使軍用無人機各項技術、戰術指標受到限制，其戰鬥力不能有效發揮，至使軍用遠程無人機發展進程緩慢；對於民用無人機而言，其影響了民用無人機在攝影、測繪、勘探、災情監測、海岸緝私等行業充分應用。安全問題制約著無人機乃至航空工業的發展。解決無人機的安全問題，最有效途徑就是解決「感知-避讓」問題，美國和歐洲對無人機的自動避撞系統都提出了明確要求並展開深入的研究。無人機自動避撞系統能從根本上解決無人機在共域飛行時與其他航空器的飛行安全問題，對推動無人機系統和航空運輸業的發展具有重要意義。
目前，無人機感知避讓系統中有許多技術、方法結合在一起來降低無人機的碰撞風險。例如，無人機地面管控系統，用於監管、控制空域中所有受控無人機，並時刻保持與空中交通管理系統的通信，一旦發現碰撞衝突後，則由地面指控人員控制執行避撞策略，防止無人機發生碰撞；而無人機的自動避撞系統可使無人機自主規避碰撞，而不需地面操縱人員的幹預。在這些技術方法中，對潛在目標的精確監視是一個關鍵步驟，目標的錯過或者其位置的錯誤判斷將降低其有效性。監視就是指無人機通過多傳感器信息融合技術快速得到目標的準確信息，多傳感器信息融合技術已成為了實現無人機環境態勢感知的關鍵和核心，但當前的多傳感器融合技術還不成熟，需要得到進一步的改進與提高。無人機多傳感器融合技術必須列在研究工作的第一位。
靜態與動態威脅的分析評估技術是無人機衝突評估與預測技術的核心部分，是支撐無人機自動避讓的關鍵技術。靜態威脅分析評估技術主要是為各種靜態威脅建立評估模型，計算安全餘度，嵌入無人機飛行環境模型中以支持後續的告警技術。動態威脅分析評估技術是通過機載和地面監視設備對無人機在空域中的位置、高度和速度等信息進行計算，利用它們的飛行計劃與當前時刻的航行諸元來預測它們未來時刻的位置和相撞風險。但目前的分析評估技術準確性不高且有延時的缺點，必須進行優化與改進。
衝突解脫技術是無人機衝突避讓策略研究的主要研究內容，多採用智能算法對計劃路徑點序列進行調整，生成最大可能按預期執行順序飛行的無衝突路徑。但目前的研究大多停留於二維空間與雙機之間的衝突解脫，而三維空間中多機衝突解脫技術才是能夠使無人機與其它航空器共域飛行的關鍵支撐技術。無人機衝突解脫技術的發展水平決定著無人機是否能飛出隔離空域，也決定著無人機與其它航空器共域飛行時的安全度水平。
綜上所述，現有無人機系統中並沒有能替代有人機上飛行員來判斷並避讓危險的自動避撞裝置，因此無人機與有人機共域飛行時，極易發生無人機與其他航空器、無人機與地面障礙物之間的相撞事故，空中飛行安全難以保障。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種無人機自動避撞系統，所設計的無人機自動避撞系統能夠與無人機機載動作系統相融合，進一步提高無人機飛行安全「技術防」的水平，降低將航空器上飛行員轉移至地面所帶來的安全風險，提高無人機飛行安全水平和無人機空管智能化水平，達到與有人機相當的飛行安全等級。
為實現上述目的，本發明採取的技術方案為：
無人機自動避撞系統，包括：
無人機態勢感知模塊，用於信號級或像素級的目標檢測、跟蹤和識別，以及從信息中抽象出對環境的整體性認識，實現環境的認知，包括目標行為理解、態勢評估、威脅估計以及態勢理解；
無人機防相撞威脅評估與預測模塊，用於在無人機在空域運行中，對所探測區域內的靜態障礙和動態目標進行威脅評估與衝突趨勢預測，使無人機具備及時發現、預測和評估飛行衝突的能力，確保無人機能夠準確及時的採取規避機動，防止不安全事故的發生；
無人機決策避撞模塊，用在無人機通過評估預測得到飛行衝突趨勢後，生成相應的行為選擇，並通過飛行軌跡規劃器及時規劃出可飛的最優避撞路徑，並輸出規避決策和機動指令，使飛控系統能夠按照指令操縱飛機自主飛行。
其中，所述無人機態勢感知模塊包括：
多源信息融合與處理模塊，要由傳感器組進行多源信息輸入，然後將輸入的信息發送到態勢評估模塊；
態勢評估模塊，用於根據接收到的數據，通過離線地圖和機載導航裝置的支持，生成關聯態勢信息，並可用於相撞威脅評估和相撞風險預測。其中，所述無人機防相撞威脅評估與預測模塊包括：
目標狀態估計器，用於通過非合作式目標軌跡預測方法對動目標運行軌跡進行預測；
安全威脅預測模塊，用於通過幾何方法，基於空管資料庫中的間隔標準對飛行衝突進行預測。
其中，所述無人機決策避撞模塊包括避撞決策模塊、飛行軌跡規劃器和避撞指令模塊，避撞決策模塊通過避撞規則庫和解決方法組合選擇器的支持得出避撞決策，並將避撞決策發送到飛行軌跡規劃器，飛行軌跡規劃器根據接收到的數據以及避撞機動庫的支持，進行動態飛行航跡的規劃，主要涉及避撞規則、構建規劃空間算法、無人機運動模型、代價函數和算法求解等方面。
其中，動態飛行航跡的規劃問題可以看成是一個求解最優問題的過程，尋找一組決策變量在滿足其約束條件下飛目標函數的最優解，用數學形式表示如下：
式中：x＝(x1，x2，…，xn)t∈r是決策變量，j(x)是目標函數，gi(x)(i＝1，2，…，m)與hi(x)(i＝1，2，…，l)為約束函數。
本發明具有以下有益效果：
本發明結合無人機機載傳感器、通信系統、飛控系統，能夠實現無人機在空中飛行時的自動感知-避讓，實現無人機防相撞的系統化、自動化、智能化，顯著提高無人機與其他航空器(尤其是有人駕駛航空器)共用空域時所有航空器的飛行安全。
附圖說明
圖1為本發明實施例無人機自動避撞系統的系統框圖。
圖2為本發明實施例中安全威脅評估模塊的原理圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖1-2所示，本發明實施例提供了一種無人機自動避撞系統，包括：
無人機態勢感知模塊，用於信號級或像素級的目標檢測、跟蹤和識別，以及從信息中抽象出對環境的整體性認識，實現環境的認知，包括目標行為理解、態勢評估、威脅估計以及態勢理解；
無人機防相撞威脅評估與預測模塊，用於在無人機在空域運行中，對所探測區域內的靜態障礙、和動態目標進行威脅評估與衝突預測，使無人機具備及時發現、預測和評估飛行衝突的能力，確保無人機能夠準確及時的採取規避機動，防止不安全事故的發生；
無人機決策避撞模塊，用在無人機通過評估預測得到飛行衝突趨勢後，生成相應的行為選擇，並通過飛行軌跡規劃器及時規劃出可飛的最優避撞路徑，並輸出規避決策和機動指令，使飛控系統能夠按照指令操縱飛機自主飛行。
所述無人機態勢感知模塊包括：
多源信息融合與處理模塊，要由由光電、紅外、雷射、雷達等傳感器組進行多源信息輸入，然後將輸入的信息發送到態勢評估模塊；
態勢評估模塊，用於根據接收到的數據，通過離線地圖和機載導航裝置的支持，生成關聯態勢信息，並可用於相撞威脅評估和相撞風險預測。所述無人機防相撞威脅評估與預測模塊包括
目標狀態估計器，用於通過非合作式目標軌跡預測方法對動目標運行軌跡進行預測；
安全威脅預測模塊，用於通過幾何方法，基於空管資料庫中的間隔標準對飛行衝突進行預測；安全威脅評估模塊的原理是採用幾何方法，基於空管資料庫中的間隔標準對飛行相撞風險進行預測，如圖2所示，以無人機為原點的相對坐標系中，無人機靜態保護區i、靜態保護區ii與動態避撞區分別用以探測無人機與入侵機之間的飛行衝突趨勢、空中危險接近趨勢與飛行碰撞趨勢，靜態保護區考慮建立圓柱體保護區模型，動態避撞區考慮根據無人機機動能力建立三維空間中避撞區模型。
所述無人機決策避撞模塊包括避撞決策模塊、飛行軌跡規劃器和避撞指令模塊，避撞決策模塊通過避撞規則庫和解決方法組合選擇器的支持得出避撞決策，並將避撞決策發送到飛行軌跡規劃器，飛行軌跡規劃器根據接收到的數據以及避撞機動庫的支持，進行動態飛行航跡的規劃，主要涉及避撞規則、構建規劃空間算法、無人機運動模型、代價函數和算法求解等方面。
動態飛行航跡的規劃問題可以看成是一個求解最優問題的過程，尋找一組決策變量在滿足其約束條件下飛目標函數的最優解，用數學形式表示如下：
式中：x＝(x1，x2，…，xn)t∈r是決策變量，j(x)是目標函數，gi(x)(i＝1，2，…，m)與hi(x)(i＝1，2，…，l)為約束函數。
本具體實施結合我國現行空管規則，增設空管數據接口，從空中交通管理和飛行安全管理層級，給出了無人機空域運行時在防相撞問題上的系統解決方案，從而實現無人機態勢感知並避讓的系統化、自動化、智能化，提高無人機空域運行的安全性。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。