一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，包括：获取两架无人机之间的初始参数信息，基于此计算两架无人机之间的相对位置、组合碰撞盒参数、水平速率、最大上升和下降速率；将无人机的相对航向离散化表示，划分为若干个离散航向；对于每一个离散航向，分别计算当前相对航向下两架无人机之间的碰撞概率；将在每一个离散航向下计算所得的无人机碰撞概率累加，得到当前位置和速率参数下的两架无人机之间的碰撞概率；求解无人机碰撞概率等值线和等值面，取等值面在纵向、横向和垂直三个方向的最大距离作为无人机安全间隔。本发明专利技术填补了当前多旋翼无人机安全间隔领域的空白，为无人机与无人机之间安全间隔的设置提供理论依据。置提供理论依据。置提供理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法


[0001]本专利技术涉及多旋翼无人机安全间隔
，特别是涉及一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法。

技术介绍

[0002]作为通用航空器作业的主要活动区域，低空空域是我国不可或缺的重要战略资源，而无人驾驶航空器作为通用航空器的典型代表，目前已经广泛应用于各个领域，随着未来我国低空空域的不断改革，未来智慧城市的低空空域必将逐渐复杂化，而城市区域地形复杂，楼宇密集，人口繁多，如何确保形态多样的无人机安全高效运行，是目前无人机空中交通管理系统亟待解决的关键问题。无人机发生空中碰撞，导致无人机从高空坠落，从而产生撞击、爆炸、火灾等事故，易对人的生命或财产安全造成威胁。
[0003]目前，国内外针对民用航空器安全间隔的研究，绝大多数集中于民航客机与民航客机之间，少数集中于无人机与民航客机之间，关于多旋翼无人机安全间隔的研究尚不多见，目前还缺乏一套在自由飞行环境下无人机与无人机之间应当保持的安全间隔的标准。
[0004]自由空域是指不存在航路结构限制，无人机主要以点对点方式飞行的空域。在当前的低空空域环境下，无人机飞行尚处于起步阶段，无人机空域类型与空域结构尚不明确，不同的空域结构与运行规则对无人机之间的安全间隔有一定的影响，因此，针对自由空域环境下多旋翼无人机的安全间隔问题进行研究具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，填补当前多旋翼无人机安全间隔领域的空白，为无人机与无人机之间安全间隔的设置提供理论依据。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，包括以下步骤：
[0008]S1，获取两架无人机之间的初始参数信息，包括两架无人机的碰撞盒半径和半高、初始位置、水平速度、最大上升速度、最大下降速度以及计算步长，两架无人机中的其中一架看作质点，作为“质点”无人机，另一架无人机带有组合碰撞区域，作为“参照”无人机，并将采用无人机机体圆柱的最小外接椭球作为无人机椭球体碰撞盒；
[0009]S2，根据步骤S1中获取的初始参数信息进行参数初始化计算，确定两架无人机之间的相对位置向量、相对飞行速度向量、组合碰撞区域半径和半高，最大相对上升速度和下降速度；
[0010]S3，将无人机的相对航向离散化表示，将360
°
的相对航向水平范围等分为若干个离散航向，在此假设无人机的相对航向服从均匀分布；
[0011]S4，对于每一个离散航向，计算在当前参数条件下，“质点”无人机进入组合碰撞区域水平截面与垂直截面的概率，进而得到在当前离散航向下两架无人机之间的碰撞概率；
无人机进入组合碰撞区域水平截面与垂直截面的概率，进而得到在当前离散航向下两架无人机之间的碰撞概率，具体包括：
[0030]两架无人机之间的碰撞概率由如下公式计算：
[0031]P(HV)＝P(V|H)P(H)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]式中，H表示事件“质点”无人机进入组合碰撞区域水平截面，V表示事件“质点”无人机沿相对速度方向进入组合碰撞区域垂直截面，P(HV)表示两架无人机之间的碰撞概率，P(V|H)表示在事件H发生的情况下事件V发生的概率，P(H)为事件H发生的概率；将无人机相对航向Δθ离散化后，公式(8)可转化为：
[0033][0034]式中，由于相对航向离散化，H被均匀分解为了m个离散子事件，H
i
表示H中的第i个子事件。
[0035]进一步的，所述步骤S4中，根据两架无人机之间的水平位置和无人机组合碰撞区域半径R
C
的大小关系，具体计算过程可分为三种情况：
[0036]①
当时，首先以水平截面作为研究对象，求解组合碰撞区域垂直截面的“长轴”半径R
v
以及两架无人机在垂直截面中的水平距离设无人机水平相对速度为Δv
h
，水平相对位置为以“参照”无人机作为原点，则计算公式为：
[0037][0038][0039]于是，“质点”无人机在垂直截面的位置坐标为：
[0040][0041]式中，为无人机相对位置向量的高度坐标，此时，组合碰撞区域垂直截面椭圆方程为：
[0042][0043]设切线方程为z＝ku+b，代入式(13)得取Δ＝0，并将式(12)中的坐标代入切线方程，可联立方程组：
[0044][0045]消去参数b，得：
[0046][0047]利用二次方程求根公式，可得：
[0048][0049]此时，设切线与水平速度方向的夹角分别为α1＝arctank1与α2＝arctank2，设α1＜α2，则可解得“质点”无人机相对爬升或下降角范围：
[0050][0051]则在给定H
i
情况下，垂直截面碰撞概率为：
[0052][0053]将公式(18)代入公式(9)中，即可求解无人机与无人机之间的碰撞概率P(HV)；
[0054]②
当时，则式(16)可转化为
[0055][0056]式中，k1为其中一条切线的斜率，若则此时只有一条切线，且P(V|H
i
)＝1，令α1＝arctank1，若则α1＜α2＝π/2；若则
‑
π/2＝α2＜α1，将α1与α2数值互换，保持α1＜α2，从而，此时垂直截面碰撞概率也可由式(18)计算；
[0057]③
当时，水平截面碰撞概率P(H)＝1，此时，“质点”无人机面向与背向“参照”无人机飞行的概率均为0.5，若Δv
h
面向“参照”无人机，则无人机碰撞概率可由式(18)计算；若Δv
h
背向“参照”无人机，则“质点”无人机相对爬升角范围可由下式计算得：
[0058][0059]将β
′1,β
′2代入式(18)，替换β1,β2，可计算Δv
h
背向“参照”无人机时的碰撞概率。
[0060]进一步的，所述步骤S5，将在每一个离散航向下计算所得的无人机碰撞概率累加，得到当前位置和速率参数下的两架无人机之间的碰撞概率，具体包括：
[0061]设基于随机航向的无人机与无人机碰撞概率为P
UD
，首先将其初始化为0，然后对于每一个离散航向根据步骤S4中所述公式(9)计算碰撞概率P(H
i
V)，则更新碰撞概率遍历所有离散航向后，即可得出两架无人机之间
的碰撞概率。
[0062]进一步的，所述步骤S6，进一步求解无人机碰撞概率等值线和等值面，取等值面在纵向、横向和垂直三个方向的最大距离作为无人机安全间隔，具体包括：
[0063]根据步骤S1～S5，得到自由空域下不同相对位置或间隔的“质点”无人机与“参照”无人机之间的碰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取两架无人机之间的初始参数信息，包括两架无人机的碰撞盒半径和半高、初始位置、水平速度、最大上升速度、最大下降速度以及计算步长，两架无人机中的其中一架看作质点，作为“质点”无人机，另一架无人机带有组合碰撞区域，作为“参照”无人机，并将采用无人机机体圆柱的最小外接椭球作为无人机椭球体碰撞盒；S2，根据步骤S1中获取的初始参数信息进行参数初始化计算，确定两架无人机之间的相对位置向量、相对飞行速度向量、组合碰撞区域半径和半高，最大相对上升速度和下降速度；S3，将无人机的相对航向离散化表示，将360
°
的相对航向水平范围等分为若干个离散航向，在此假设无人机的相对航向服从均匀分布；S4，对于每一个离散航向，计算在当前参数条件下，“质点”无人机进入组合碰撞区域水平截面与垂直截面的概率，进而得到在当前离散航向下两架无人机之间的碰撞概率；S5，将在每一个离散航向下计算所得的无人机碰撞概率累加，得到当前位置和速率参数下的两架无人机之间的碰撞概率；S6，进一步求解无人机碰撞概率等值线和等值面，取等值面在纵向、横向和垂直三个方向的最大距离作为无人机安全间隔。2.根据权利要求1所述的基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取两架无人机之间的初始参数信息，包括两架无人机的碰撞盒半径和半高、水平速度、最大上升速度、最大下降速度以及计算步长，具体包括：“质点”无人机的碰撞盒半径R
P
和半高H
P
，初始位置水平速度v
Ph
，最大上升速度最大下降速度计算步长s；“参照”无人机的碰撞盒半径R
R
和半高H
R
，初始位置水平速度v
Rh
，最大上升速度最大下降速度计算步长s。3.根据权利要求2所述的基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据步骤S1中获取的初始参数信息进行参数初始化计算，确定两架无人机之间的相对位置向量、相对飞行速度向量、组合碰撞区域半径和半高，最大相对上升速度和下降速度，具体包括：通过下述公式进行参数初始化计算：v
Rh
＝[0,v
Rh
]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)R
C
＝R
P
+R
R
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)H
C
＝H
P
+H
R
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)(4)(4)
其中，为两架无人机之间的相对位置向量，为两架无人机之间的相对垂直位置向量，为两架无人机之间沿Z轴方向的相对位置向量，为两架无人机之间沿X轴方向的相对位置向量，为两架无人机之间沿Y轴方向的相对位置向量；R
C
为无人机组合碰撞区域半径；H
C
为无人机组合碰撞区域半高；为最大相对上升速度；为最大相对下降速度；θ
c
为“质点”无人机相对飞行航迹与组合碰撞区域水平截面的最大夹角；为两架无人机之间的水平距离。4.根据权利要求3所述的基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，其特征在于，所述步骤S3中，将无人机的相对航向离散化表示，将360
°
的相对航向水平范围等分为若干个离散航向，在此假设无人机的相对航向服从均匀分布，具体包括：将无人机相对航向Δθ离散化，将360
°
的相对航向水平范围等分为n个离散航向θ
i
(i＝1,2,
…
,n)，于是，由均匀分布可知，取每一个航向的几率P(Δθ＝θ
i
)＝1/n，且θ
c
夹角范围内离散航向数量5.根据权利要求4所述的基于随机航向的多旋翼无人机安全间隔标定方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪海，李博文，钟罡，刘皞，邹依原，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：