一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法技术

本发明专利技术提供了一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，包括：建立飞行冲突检测模型；进行飞行冲突检测计算，结合飞行冲突计算参数，判断飞行冲突发生的可能性，并根据飞行器的相对飞行方向，判断飞行冲突所属类型；生成飞行冲突避免策略，根据飞行冲突预测时间与冲突类型，制定基于规则的冲突避免决策表，包括减速、加速、转向等飞行策略，并计算对应策略的实施参数；根据飞行器当前的飞行方向以及理想飞行方向的差值，确定飞行器的转向控制，计算飞行器下一时刻的飞行速度。本发明专利技术不仅能够有效检测飞行器的飞行冲突，而且其计算参数少、速度快，有效提升了大量飞行器的飞行冲突检测与避免效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法
本专利技术属于空中交通管理领域，特别涉及一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法。
技术介绍
机载防撞系统是每架飞机飞行必不可少的航空电子设备。作为机载防撞系统的关键部分，飞行冲突检测与避免技术不断发展和完善。尤其是随着空中交通流量的持续增长，快速实用的飞行冲突检测与避免技术在最近几十年得到了越来越深入的研究，引起了国内外众多专家和学者的关注。目前，常用的飞行冲突检测方法主要分为概率法和几何法。常用的飞行冲突避免方法包括最优化方法、基于规则的冲突避免方法及基于力场的避免方法。国内外众多学者在这几类方法中提出了较多具体算法，这些算法的主要优点是能够处理复杂情况，但是计算量非常大，无法保证实时性。对于短期飞行冲突检测与避免来说，重点是利用机载设备监视到的数据，进行简单计算比对快速识别冲突并提出避免方案，计算效率要求较高，过于复杂的算法会影响计算效率，进而延误处置时机。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，包括如下步骤：步骤1、计算短期飞行冲突检测参数；步骤2、飞行冲突检测；步骤3、生成飞行冲突避免策略；步骤4、进行航线跟随计算。其中，步骤1包括：步骤1-1，定义待检测飞行器A与障碍飞行器B之间几何视景夹角φ和碰撞预测时间tc的二元组为短期飞行冲突检测参数；步骤1-2，计算飞行冲突预测时间；>步骤1-3，计算几何视景夹角；步骤1-4，计算几何视景夹角的微分。步骤1-2中，计算飞行冲突预测时间的公式如下：D＝||pB-pA||-R，其中，表示障碍飞行器B相对于待检测飞行器A的速度；表示障碍飞行器B的运动速度；表示待检测飞行器A的运动速度；表示障碍飞行器B对待检测飞行器A的相对速度沿方向的分量；表示的正交分解；表示障碍飞行器B指向待检测飞行器A方向的单位向量；D表示障碍飞行器B与待检测飞行器A的距离；pA表示飞行器A的位置坐标；pB表示飞行器B的位置坐标；R表示障碍飞行器的估算半径。步骤1-3中，计算几何视景夹角，即计算飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在的几何夹角φ，公式如下：其中，表示待检测飞行器A指向障碍飞行器B方向的单位向量；φ表示待检测飞行器A对障碍飞行器B的几何视景角。步骤1-4中，计算几何视景夹角的微分，用单位时间内φ的变化来近似表示，单位时间为飞行冲突检测计算时间步长，表示飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在的几何夹角微分，具有符号，其为负数时表示障碍飞行器B先通过，为正数时表示待检测飞行器A先通过，求解几何视景夹角的公式如下：其中，T表示仿真单位时间步长。步骤2包括：步骤2-1、设定几何视景夹角微分的判断阈值γ为：步骤2-2、进行飞行冲突判断；步骤2-3、进行冲突类型判断。步骤2-2包括：当待检测飞行器A与障碍飞行器B之间几何视景夹角微分接近于0且冲突预测时间为正数时，判断飞行冲突即将发生，其判别公式为：其中，表示判断待检测飞行器A与障碍飞行器B是否会发生飞行冲突的布尔量。步骤2-3包括：不考虑垂直方向的相对运动，按照飞行器的相对飞行方向将民航飞行器之间的飞行冲突分为三种：正面冲突、侧面冲突、背面冲突，正面冲突的判断公式如下：其中θ表示判断待检测飞行器A与障碍飞行器B共线的阈值(一般取值为±5°)；ψ表示待检测飞行器A与障碍飞行器B的飞行方向夹角；表示待检测飞行器A的飞行方向；表示障碍飞行器B的飞行方向；RA、RB分别表示飞行器A、B的半径(本方法假设飞行器A、B半径相同)；D表示待检测飞行器A与障碍飞行器B之间的距离；背面冲突的判断公式是：如果非正面冲突，并且非背面冲突，则判断为侧面冲突。步骤3包括：步骤3-1、生成飞行冲突避免策略(速度小于200km/h判定为低速，速度大于200km/h且小于900km/h判定为高速)：当tcmin≤0.5s时：障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A减速与转向；障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器A减速与转向；障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器A减速与转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A与障碍飞行器B同时减速与转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器A与障碍飞行器B保持同速；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为随机选择待检测飞行器A或者障碍飞行器B进行减速；当0.5s＜tcmin≤3s时，障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A转向；障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器A转向；障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器A减速与转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A与障碍飞行器B同时减速与转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器A减速或者转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器A与障碍飞行器B同时减速与转向；当tcmin＞3s时：障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A转向；障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器A转向；障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是侧面冲突，策略为待检测飞行器A转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A与障碍飞行器B同时转向；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是背面冲突，策略为无反应；障碍飞行器B状态是高速，碰撞类型是侧面冲突，策略为无反应；步骤3-2、计算冲突避免决策参数：如果是减速运动，计算公式如下：其中，vnew表示飞行器A下一帧的飞行速度；va表示飞行器A当前速度；tcmin表示最快发生的碰撞的预测时间；如果是加速运动，即飞行器在情况允许下，以最大飞行速度vmax(根据机型不同，如波音747最大飞行速度为960km/h)超越；如果是飞行方向调整，即飞行器通过左转或右转的方式，给其自身增加一个合适的角速度，其计算公式如下：其中，表示飞行器A下一帧的旋转角度；γ'表示理想旋转角度；表示飞行器A每秒最大旋转角度；tcmin表示最快发生的碰撞的预测时间。步骤4包括：步骤4-1、转向计算，即根据飞行器理想飞行方向与其实际飞行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、计算短期飞行冲突检测参数；/n步骤2、飞行冲突检测；/n步骤3、生成飞行冲突避免策略；/n步骤4、进行航线跟随计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于几何视景模型的短期飞行冲突检测与避免方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、计算短期飞行冲突检测参数；
步骤2、飞行冲突检测；
步骤3、生成飞行冲突避免策略；
步骤4、进行航线跟随计算。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：
步骤1-1，定义待检测飞行器A与障碍飞行器B之间几何视景夹角φ和碰撞预测时间tc的二元组为短期飞行冲突检测参数；
步骤1-2，计算飞行冲突预测时间；
步骤1-3，计算几何视景夹角；
步骤1-4，计算几何视景夹角的微分。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1-2中，计算飞行冲突预测时间的公式如下：









D＝||pB-pA||-R，



其中，表示障碍飞行器B相对于待检测飞行器A的速度；表示障碍飞行器B的运动速度；表示待检测飞行器A的运动速度；表示障碍飞行器B对待检测飞行器A的相对速度沿方向的分量；表示的正交分解；表示障碍飞行器B指向待检测飞行器A方向的单位向量；D表示障碍飞行器B与待检测飞行器A的距离；pA表示飞行器A的位置坐标；pB表示飞行器B的位置坐标；R表示障碍飞行器的估算半径。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1-3中，计算几何视景夹角，即计算飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在的几何夹角φ，公式如下：






其中，表示待检测飞行器A指向障碍飞行器B方向的单位向量；φ表示待检测飞行器A对障碍飞行器B的几何视景角。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1-4中，计算几何视景夹角的微分，用单位时间内φ的变化来近似表示，单位时间为飞行冲突检测计算时间步长，表示飞行器的飞行方向与飞行员视野内的动态障碍飞行器存在的几何夹角微分，具有符号，其为负数时表示障碍飞行器B先通过，为正数时表示待检测飞行器A先通过，求解几何视景夹角的公式如下：



其中，T表示仿真单位时间步长。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2包括：
步骤2-1、设定几何视景夹角微分的判断阈值γ为：



步骤2-2、进行飞行冲突判断；
步骤2-3、进行冲突类型判断。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2-2包括：
当待检测飞行器A与障碍飞行器B之间几何视景夹角微分接近于0且冲突预测时间为正数时，判断飞行冲突即将发生，其判别公式为：



其中，表示判断待检测飞行器A与障碍飞行器B是否会发生飞行冲突的布尔量。


8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2-3包括：不考虑垂直方向的相对运动，按照飞行器的相对飞行方向将民航飞行器之间的飞行冲突分为三种：正面冲突、侧面冲突、背面冲突，正面冲突的判断公式如下：









其中θ表示判断待检测飞行器A与障碍飞行器B共线的阈值；ψ表示待检测飞行器A与障碍飞行器B的飞行方向夹角；表示待检测飞行器A的飞行方向；表示障碍飞行器B的飞行方向；RA、RB分别表示飞行器A、B的半径；D表示待检测飞行器A与障碍飞行器B之间的距离；
背面冲突的判断公式是：






如果非正面冲突，并且非背面冲突，则判断为侧面冲突。


9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤3包括：
步骤3-1、生成飞行冲突避免策略：
当tcmin≤0.5s时：
障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是正面冲突，策略为待检测飞行器A减速与转向；
障碍飞行器B状态是低速，碰撞类型是背面冲突，策略为待检测飞行器A...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁洋，杨毅，李泽林，朱世名，谢如恒，丁辉，严勇杰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十八研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32