一種無人機動態緊急避撞區的建模方法
2023-10-08 09:51:59 2
專利名稱：一種無人機動態緊急避撞區的建模方法
技術領域：
本發明涉及一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，屬於飛行安全技術領域。
背景技術：
目前，無人機已被廣泛應用於偵察監視、對地攻擊、毀傷評估等軍事領域，在森林防火、地理測量、災難監測等民用領域也有重要的應用前景。隨著無人機的廣泛應用，其對空域的要求也日益緊迫。由於無人機尚不具備自主感知與規避的能力，所以現階段無人機還無法與民用航空飛機共享開放空域。因此，如何在確保飛行安全的前提下通過共享提高空域的利用率成為了新的研究熱點。在這樣的背景下，美國等ー些航空業發達國家提出「自由飛行(Free Flight)」的概念，即在開放的空域中，飛機的速度和飛行路徑由飛行員自己決定。自由飛行為解決空中 航線擁擠的局面，更高效地利用空間資源開闢了另外一條新的思路。如今，隨著GPS和各種機載電子設備等硬體的出現，自由飛行已成為可能。飛行衝突探測與解決是實現自由飛行的關鍵問題。如何利用已有的各種數據和信息，對飛機飛行中是否存在衝突作出準確、合理的判斷，並使飛機避免飛行衝突，順利完成飛行任務，已成為目前一項緊迫的任務。對於無人機而言，為了能和其它飛行器共享空域，必須具備自主威脅感知與規避能力。通過感知系統檢測無人機周圍可能的威脅信息，通過碰撞檢測算法判斷衝突的可能，通過避撞機動避免碰撞。近年來，國內外學者圍繞無人機自主威脅感知與規避策略展開了大量卓有成效的研究。目前見諸文獻的避撞方法有以飛機間互通飛行信息為前提，水平面內協作避撞策略；利用TCAS的感知與決策功能，完成相應的避撞機動；以自我感知獲得入侵機飛行信息為前提，判定是否存在衝突，並對避撞範圍作定值處理，完成避撞任務。上述方法中，通常需要飛行器之間具有相互通信能力，並且對於避撞區域的劃分方式會造成空域的浪費以及不必要的避撞機動。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，依據無人機與入侵機的飛行信息，建立無人機動態緊急避撞區，在緊急避撞策略下，可以為系統同時提供最小避撞距離與避撞所需時間雙重參考信息，更大程度上保證了避撞成功率，並且避免了不必要的空域浪費和避撞機動。本發明的一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，首先通過衝突檢測方法判定無人機與入侵機是否存在飛行衝突，如果飛機間存在飛行衝突，則根據入侵機的飛行航向確定無人機緊急避撞的機動方式，並通過分析緊急避撞機動過程，建立無人機動態緊急避撞區模型方程，通過求解模型方程，得到緊急避撞區邊界值以及避撞機動所需時間。具體包括如下步驟步驟ー根據無人機的機載感知設備獲取入侵機相關飛行信息，並通過衝突檢測算法判定無人機與入侵機是否存在飛行衝突。步驟ニ 如果步驟一的判定結果為無人機與入侵機之間存在飛行衝突，則根據入侵機的飛行航向確定無人機緊急避撞的機動方式(例如採取最大側向過載進行左轉/右轉避撞機動)。步驟三通過分析緊急避撞機動過程，建立無人機動態緊急避撞區模型方程(所得模型方程與入侵機入侵方位角有關)。步驟四採用常用的解非線性方程組方法(比如二分法)，對所建無人機緊急避撞區模型方程進行求解計算，得到緊急避撞區的邊界值以及避撞過程所需時間。步驟五將入侵機方位角依次從(Γ2π範圍內取值，並重複採用步驟四進行求解計算，可以得到無人機緊急避撞區完整包絡。
本發明的優點在於( I)本發明提供的方法通過實時檢測入侵機的飛行信息，並通過所得數據動態建立緊急避撞區包絡，使所建包絡具有針對性；(2)本發明提供的方法為系統同時提供最小避撞距離與避撞機動所需時間雙重參考信息，更大程度上保證了避撞成功率；(3)本發明提供的方法縮小了避撞區包絡面積，避免了不必要的空域浪費和避撞機動，並且具有較好的實時性。
圖I是本發明的方法流程圖；圖2是無人機與入侵機衝突檢測模型示意圖；圖3a是無人機與入侵機迎面遭遇情形示意圖；圖3b是無人機與入侵機追尾遭遇情形示意圖；圖3c是無人機與入侵機正側向遭遇情形示意圖；圖4是緊急避撞區模型方程的求解過程。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進ー步的詳細說明。本發明提出了一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，首先通過衝突檢測方法判定無人機與入侵機是否存在飛行衝突，如果飛機間存在飛行衝突，則根據入侵機的飛行航向確定無人機緊急避撞的機動方式，並通過分析緊急避撞機動過程，建立無人機動態緊急避撞區模型方程，通過求解模型方程，得到緊急避撞區邊界值以及避撞機動所需時間。本發明的一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，流程如圖I所示，包括以下幾個步驟步驟ー根據無人機的機載感知設備獲取入侵機相關飛行信息，並通過衝突檢測方法判定無人機與入侵機是否存在飛行衝突。無人機與入侵機衝突檢測模型，如圖2所示，無人機的機載感知設備獲取無人機的飛行速度Vtl、入侵機的飛行速度V1、無人機與入侵機的相対速度則實際飛行情況可以等效為無人機靜止不動，入侵機以\飛行，間隔單位時間內，進行兩次測量，獲取第一次測量時，無人機與入侵機的相對距離も、R1與Vtl之間的夾角，即相對方位角Θ i，然後，單位時間間隔後，獲取第二次測量時，無人機與入侵機的相對距離R2、R2與Vtl之間的夾角，即相對方位角Θ 2，通過幾何關係推導可得，當無人機與入侵機到達最接近點處時，水平相對距離為
權利要求
1.一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟 步驟ー根據無人機的機載感知設備獲取入侵機的飛行信息，並通過衝突檢測方法判斷無人機與入侵機是否存在飛行衝突； 無人機的機載感知設備獲取無人機的飛行速度Vtl、入侵機的飛行速度V1、無人機與入侵機的相対速度 '，則實際飛行情況等效為無人機靜止不動，入侵機以\飛行，間隔單位時間內，進行兩次測量，獲取第一次測量時，無人機與入侵機的相對距離R1、相對方位角Θ P相對方位角Θ i為R1與Vtl之間的夾角，然後，單位時間間隔後，獲取第二次測量時，無人機與入侵機的相對距離R2、相對方位角θ2，相對方位角02為民與Vtl之間的夾角，通過幾何關係推導可得，當無人機與入侵機到達最接近點處時，水平相對距離為 D =RlR2Smiei-O2) ； 'IR R21 -IRlR2CQSiO. -θ2)(1) 設定無人機的最小安全距離Dlimit,如果Dmin小於飛機間最小安全距離Dlimit,則無人機與入侵機間存在飛行衝突，進入步驟ニ ； 步驟ニ 如果判定無人機與入侵機之間存在飛行衝突，根據入侵機的飛行航向確定無人機緊急避撞的機動方式； ①當無人機與入侵機迎面遭遇且入侵機在無人機左側或者右側，無人機採取以最大轉彎角速率r右轉機動或者左轉機動完成緊急避撞任務； ②當無人機與入侵機追尾遭遇且入侵機在無人機左側或者右側，無人機採取以最大轉彎角速率r右轉機動或者左轉機動完成緊急避撞任務； ③當無人機與入侵機正側向遭遇且入侵機在無人機右側或者左側，無人機採取以最大轉彎角速率r左轉機動或者右轉機動完成緊急避撞任務； 步驟三建立無人機動態緊急避撞區模型方程； 根據步驟ニ得到的三種不同情形下的緊急避撞機動方式，分別建立無人機動態緊急避撞區模型方程 ①當無人機與入侵機迎面遭遇且入侵機在無人機左側或者右側，無人機採取以最大轉彎角速率r右轉機動或者左轉機動，建立無人機動態緊急避撞區模型方程，具體為 其中Λχ為無人機與入侵機前向相對距離，Ay為無人機與入侵機側向相對距離，V。、V1分別為無人機、入侵機的飛行速度，Θ為緊急避撞機動開始時，入侵機與無人機的相對方位角；D為緊急避撞機動開始時，無人機與入侵機的相對距離，即為緊急避撞區的邊界值；r表示無人機轉彎角速率表示緊急避撞機動需要的時間； h(t)為緊急避撞機動開始t時間後，無人機與入侵機的相對距離h(l) = ^(Ax)2+(Ayf ；引入約束條件，當h』 (t) = O時刻，h(t)剛好等於無人機與入侵機的最小安全距離Dlimit ； 通過求解模型方程(3)，獲得到達最小安全距離時刻t以及入侵機與無人機相對方位角為Θ入侵時，緊急避撞區的邊界值D ; ②當無人機與入侵機追尾遭遇且入侵機在無人機左側或者右側，無人機採取以最大轉彎角速率r右轉機動或者左轉機動完成緊急避撞機動，建立無人機動態緊急避撞區模型方程，具體為 重複上述①的過程，得到緊急避撞區的模型方程
2.根據權利要求I所述的ー種無人機動態緊急避撞區的建模方法，其特徵在於，所述的步驟四中，緊急避撞區模型方程的求解方法為①根據步驟三所得緊急避撞區模型方程組中的第三個方程
全文摘要
本發明公開了一種無人機動態緊急避撞區的建模方法，可用於無人機遭遇入侵機時緊急避撞區包絡的構建。首先通過衝突檢測算法判定無人機與入侵機是否存在飛行衝突，如果飛機間存在飛行衝突，則根據入侵機的飛行航向確定無人機緊急避撞的機動方式，並通過分析緊急避撞機動過程，建立無人機動態緊急避撞區模型方程，通過求解模型方程，得到緊急避撞區邊界值以及避撞機動所需時間。本發明提供的方法利用實時獲取的入侵機飛行信息，動態建立無人機緊急避撞區。該方法可以為系統同時提供最小避撞距離與避撞機動所需時間雙重參考信息，更大程度上保證了避撞成功率；並且縮小了避撞區包絡面積，避免了不必要的空域浪費和避撞機動，同時具有較好的實時性。
文檔編號G05D1/10GK102854883SQ201210230268
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月4日 優先權日2012年7月4日
發明者王宏倫, 許敬剛, 梁宵 申請人:北京航空航天大學