【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机，尤其涉及一种无人机与多个飞行器的动态冲突检测和解脱方法。
技术介绍
1、随着无人机系统在工业、农业、军事等多个领域的广泛应用，无人机飞出“隔离空域”并与有人机共享空域执行多样化任务已成为当前的趋势。当前制约无人机全域飞行的关键技术为可靠的飞行冲突解脱能力。与有人机主要靠空中交通管理、空中防撞系统等飞行冲突解脱方式不同，无人机因指令操作延迟时间长、载荷相对较小、动力学模型较为复杂、面临的威胁不确定性高等特点，冲突解脱技术与有人机有较大不同。为确保避障性能的可靠性，应尽量避免无人机状态的连续改变，在最少机动的基础上实现避撞与执行任务功能，便于操作，保证飞行安全。
2、现有技术中，多机动态冲突解脱大多采用基于机器学习的避障方法，但该类方法在飞行场景发生改变时，避障准确性降低，需要对模型进行重新训练，模型离线学习训练的耗时较长且不易收敛，代价相对较高。
3、现有技术中，基于速度障碍法的避障方法在单机冲突领域取得了不错的效果。速度障碍法通过两者的相对速度来计算运动过程的相互间的最近距离以判断无人机与障碍物之间是否存在飞行冲突。基于速度障碍法的避障方法，在判断存在潜在冲突后，一般通过航向调配或速度调配进行解脱，该方法的计算复杂度低，实时性好，并且避障准确性较高。但是，现有的基于速度障碍法的避障方法大多用于解决单机冲突问题，关于多机冲突问题的研究较少，具体来说，现有的基于速度障碍法的避障方法中侧重于求解无人机避障的最优速度或最优航向，而未给出无人机如何规划能够同时躲避多个飞行器的速度和/航向调配参
4、此外，现有的基于速度障碍法的避障方法中，未考虑到无人机实际的机动性约束，即没有考虑到无人机的速度和航向调整是一个渐变过程，具体的例如无人机的速度不可能马上从10m/s跃升到20m/s，导致无人机实际无法到达规划的解脱点位置，对解脱效果产生不可预测的风险，避障安全性差，使无人机无法继续执行任务。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种无人机与多个飞行器的动态冲突检测与解脱方法，用以解决现有的基于速度障碍法的避障方法不能使无人机实现多机动态冲突解脱的技术问题。
2、本专利技术实施例提供了一种无人机与多个飞行器的动态冲突检测和解脱方法，所述方法包括：
3、无人机执行飞行任务时，基于速度障碍法检测当前空域中是否有与无人机存在潜在碰撞风险的潜在碰撞飞行器；
4、若检测到有多个潜在碰撞飞行器，则对于每个潜在碰撞飞行器分别进行单机冲突解脱计算，以分别获取无人机对于每个潜在碰撞飞行器能够实现解脱的调速方式和/或旋转方向以及相应的调配参数；所述调速方式包括加速方式和减速方式，所述旋转方向包括逆时针方向和顺时针方向，所述调配参数包括避障飞行距离、避障飞行时间、速度调整量、旋转角度；
5、比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果，根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，然后根据取大原则从所述无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向对应的调配参数中获取无人机实际的调配参数，从而获取实际的解脱规划结果；
6、根据所获取的实际的解脱规划结果控制无人机的速度和/或航向以及避障飞行距离，以实现多机冲突解脱。
7、基于上述方法的进一步改进，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
8、比较所有的潜在碰撞飞行器获得的单机冲突解脱计算结果后，若两种调速方式和/或两种旋转方向均能够使无人机与所有的潜在碰撞飞行器解脱成功，则根据无人机和潜在飞行器的相对速度矢量与该潜在碰撞飞行器安全圆的相对位置判断无人机对于该潜在碰撞飞行器的更安全的调速方式和/或旋转方向，并将其作为优选调速方式和/或优选旋转方向；
9、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式和/或优选旋转方向一致，则选择所述优选调速方式和/或所述优选旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向。
10、基于上述方法的进一步改进，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
11、若无人机对各潜在碰撞飞行器的优选调速方式和/或优选旋转方向不一致，则比较两种调速方式和/或两种旋转方向对应的最长的避障飞行时间，基于安全性原则选取其中的较小值对应的调速方式和/或旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向。
12、基于上述方法的进一步改进，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
13、比较所有的潜在碰撞飞行器获得的单机冲突解脱计算结果后，若只有一种调速方式和/或一种旋转方向能够使无人机与所有的潜在碰撞飞行器解脱成功，则选择该调速方式和/或旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/旋转方向。
14、基于上述方法的进一步改进，所述对于每个潜在碰撞飞行器分别进行单机冲突解脱计算，包括：
15、无人机具有速度调配避障模式、航向调配避障模式以及速度和航向混合调配避障模式三种避障方式；
16、按照预设的顺序选择避障模式，并基于所选择的避障模式，根据当前无人机与该潜在碰撞飞行器的速度和位置信息以及无人机的机动性参数进行单机冲突解脱计算；所述机动性参数包括最大纵向加速度、最大纵向速度、最小纵向速度和最大角速度。
17、基于上述方法的进一步改进，对于每个潜在碰撞飞行器分别优先选择所述速度调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算和比较采用所述速度调配避障模式不能实现多机冲突解脱时，则基于最少机动原则选择所述航向调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算和比较所述航向调配避障模式不能实现多机冲突解脱时，则基于所述速度和航向混合调配避障模式进行单机冲突解脱计算；或者，
18、对于每个潜在碰撞飞行器分别优先基于所述速度调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算和比较采用所述速度调配避障模式不能实现多机冲突解脱时，则基于所述速度和航向混合调配避障模式进行单机冲突解脱计算。
19、基于上述方法的进一步改进，所述速度调配避障模式为：按照所获取的无人机多机冲突解脱的调速方式和无人机实际的速度调整量δva_1，无人机以所述最大纵向加速度amax经过t1时间将速度从初始速度va_0调整至避障速度va_0+δva_1，之后无人机以避障速度va_0+δva_1匀速飞行t2时间，直至无人机的飞行距离达到避障飞行距离lad；
20、采用如下方法基于速度调配避障模式进行单机解脱计算：
21、定义无人机的位置为a；目标飞行器的位置为o，安全圆半径为r，飞行速度为v0；当前无人机与目标飞行器之间的距离为lao；
【技术保护点】
1.一种无人机与多个飞行器的动态冲突检测和解脱方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
5.根据权利要1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述对于每个潜在碰撞飞行器分别进行单机冲突解脱计算，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于每个潜在碰撞飞行器分别优先选择所述速度调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算和比较采用所述速度调配避障模式不能实现多机冲突解脱时，则基于最少机动原则选择所述航向调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述速度调配避障模式为：按照所获取的无人机多机冲突解脱的调速方式和无人机实际的速度调整量ΔVA_1，无人机以所述最大纵向加速度amax经过T1时间将速度从初始速度VA_0调整至避障速度VA_0+ΔVA_1，之后无人机以避障速度VA_0+ΔVA_1匀速飞行T2时间，直至无人机的飞行距离达到避障飞行距离LAD；
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述航向调配避障模式为：按照所获取的无人机多机冲突解脱的旋转方向和无人机实际的旋转角度θ，无人机以最大角速度ω旋转角度θ，并以初始速度VA_0匀速飞行，直至无人机的飞行距离达到避障飞行距离LAD；
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述速度和航向混合调配避障模式为：按照所获取的无人机多机冲突解脱的调速方式和旋转方向以及无人机实际的速度调整量ΔVA_1和旋转角度θm，无人机以最大角速度ω旋转角度θm，同时无人机以所述最大纵向加速度amax经过T1'时间将速度从初始速度VA_0调整至避障速度VA_0+ΔVA_2，之后无人机以避障速度VA_0+ΔVA_2匀速飞行T'2时间，直至无人机的飞行距离达到避障飞行距离LAD；
10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于速度障碍法检测当前空域中是否有与无人机存在潜在碰撞风险的潜在碰撞飞行器，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种无人机与多个飞行器的动态冲突检测和解脱方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式和/或一种旋转方向作为无人机多机冲突解脱的调速方式和/或旋转方向，包括：
5.根据权利要1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述对于每个潜在碰撞飞行器分别进行单机冲突解脱计算，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于每个潜在碰撞飞行器分别优先选择所述速度调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算和比较采用所述速度调配避障模式不能实现多机冲突解脱时，则基于最少机动原则选择所述航向调配避障模式进行单机冲突解脱计算，当经过计算和比较所述航向调配避障模式不能实现多机冲突解脱时，则基于所述速度和航向混合调配避障模式进行单机冲突解脱计算；或者，
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：裘立，田玲，陈俊华，
申请(专利权)人：北京中航智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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