【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机飞行安全，尤其涉及一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法。
技术介绍
1、由于城市低空空域不断开放，无人机得到了广泛应用，无人机用于交通运输行业、应急救援类等众多应用，预测会导致比目前在载人航空中观察到的交通密度高达多个数量级，无人机数量越多，可用的空域资源越少，其数量的快速增长同时会导致无人机在城区飞行过程中的碰撞事故发生率逐渐提高。如果无人机因为发生相撞或失去稳定性而导致坠地，将会对地面上人民生命财产造成严重威胁。为确保无人机平稳安全飞行，采取必要的飞行冲突探测避碰措施是十分重要的。
2、最近，人们对无人飞行器系统(unmanned aircraft system,即uas)的应用进行了深入探索，特别是用于对几个城市基础设施进行检查和监测。在这些应用中，无人机的自主安全飞行至关重要，因为无人机必须能够在没有人为干预的情况下进行自主的飞行冲突探测和避碰。为了实现这种自主性，必须定义一种策略，以防止无人机与各种障碍物发生碰撞，包括静态障碍物(如树木、建筑物等)和移动障碍物(特别是热气球、鸟类等)。在一个不断变化的环境中，将避碰方法从静态障碍物扩展到移动障碍物是一项具有挑战性的任务。尤其是在同一个有限的城市空域内存在大量无人机时，避免移动障碍物可能会导致避碰不稳定。这种不稳定性表现为飞行方向上的波动或振荡，被称为“抖动”。这种抖动极大地影响了无人机的飞行稳定性，因此优化出更加平滑的飞行避碰路径显得尤为重要。
3、因此，针对这些挑战，需要开发出一种高效的飞行冲突避碰方法，以确保无人
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，实现低空空域无人机飞行冲突避碰。该方法应用于二维向量空间，进一步可以扩展到三维向量空间。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
3、一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，包括以下步骤：
4、步骤1：无人机持续地接收和处理ads-b数据，并进行实时的坐标转换，以获得无人机的最新地面位置；针对每架无人机接收到的ads-b原始数据进行解码处理来得到无人机的实时位置信息，进而得到无人机的飞行信息；并将解码处理后的ads-b数据进行坐标转换为地面坐标，得到无人机相对于地面的位置；
5、步骤1.1：获取ads-b数据；
6、获取ads-b广播的无人机位置数据；
7、步骤1.2：解码ads-b数据；
8、获取到的二进制ads-b数据需要进行解码，将其转换为可读的文本格式，解码后的数据包含无人机的经纬度、高度和速度信息；
9、步骤1.3：将解码处理后的ads-b数据进行坐标转换，将无人机的ads-b位置和参考位置的wgs-84椭球坐标转换为地心地固坐标(x,y,z)，进而计算出无人机相对地面固定参考点坐标(x,y,z)；
10、步骤2：根据无人机飞行速度和空域建筑布局，建立无人机的飞行保护区，并建立碰撞锥模型进行飞行冲突探测；
11、将无人机相对地面固定参考点的二维坐标设置为(x,y)，r为二维实向量空间，从而确定无人机圆形保护区集合v如下公式所示：
12、
13、其中，dh表示无人机的圆形飞行保护区半径；
14、设无人机a和b在同一城市有限的低空空域内；定义无人机a和无人机b的飞行速率分别为u1和u2，以无人机a为原点，无人机a和无人机b之间连线ab作为x轴，垂直ab引出一条直线作为y轴，建立一个二维坐标系，两架无人机的飞行速度v1和v2如下公式所示：
15、vi＝(uicosεi,uisinεi),i∈1,2 (2)
16、其中，εi代表无人机飞行方向与x轴之间形成的正方向夹角；且无人机a和无人机b对应保护区半径分别为和
17、设定无人机a或无人机b在第k个时间段△t内飞行产生位移为则无人机在第k+1个时间段△t内飞行产生位移如下所示：
18、
19、定义了一个最大速度约束vmax和最大加速度约束vmax，用于限制无人机可用速度和加速度的大小，如下公式所示：
20、||vi||≤vmax,i∈1,2 (4)
21、||ai||≤amax,i∈1,2 (5)
22、其中，||·||代表向量的模值，ai为无人机的加速度，amax为无人机的最大加速度；
23、在二维平面内，无人机a的飞行速度为v1，无人机b的飞行速度为v2，α为两无人机之间连线ab与速度障碍区边界之间的夹角，即碰撞锥顶角的一半，γ为两无人机之间连线ab与相对速度vr之间的夹角；定义相对碰撞锥rcc模型，即无人机发生碰撞可能的相对速度vr＝v1-v2的速度集合，如下公式所示：
24、
25、其中，为相对速度vr所在直线；⊙b为无人机b的飞行安全保护区，且碰撞锥边界与⊙b相切；
26、碰撞锥模型只考虑无人机之间的位置关系和当前的状态，以无人机b为参照点，无人机a相对于无人机b运动，若无人机a相对无人机b的运动速度在碰撞锥范围内，则两架无人机之间会发生飞行冲突，否则无飞行冲突；基于碰撞锥模型对两架无人机飞行冲突探测有如下几何判断方法：当α＞γ时，两架无人机存在飞行冲突，反之不存在飞行冲突；α和γ的表达式由下式给出：
27、
28、γ＝∠(vr,ab) (8)
29、步骤3：采用混合互惠速度障碍方法确定hrvo区域及无人机飞行速度，实现多架无人机飞行冲突避碰；
30、将障碍区域分为速度障碍区域和互惠速度障碍区域的混合，称其为hrvo，由此得生成的hrvo区域表达式：
31、
32、其中，v*表示rcc区域顶点到hrvo区域顶点之间的速度矢量，代表闵可夫斯基和；
33、为无人机a设定一个最优速度如下公式所示：
34、
35、其中，表示无人机a飞行的最优速率大小，p1表示无人机a的当前位置，表示无人机a的终点位置，||·||2代表向量的2-范数；
36、无人机a选择hrvo区域外最接近最优速度的一个速度向量作为新的飞行速度如下公式所示：
37、
38、其中，v是下一时刻无人机a的飞行速度；
39、步骤4：根据两无人机本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：所述步骤1针对每架无人机接收到的ADS-B原始数据进行解码处理来得到无人机的实时位置信息，进而得到无人机的飞行信息；并将解码处理后的ADS-B数据进行坐标转换为地面坐标，得到无人机相对于地面的位置，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
5.根据权利要求4所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
6.根据权利要求5所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：所述步骤5无人机A选择OHRVO区域外最接近最优速度的一个速度向量作为新的飞行速度，如下式所示：
【技术特征摘要】
1.一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其特征在于：所述步骤1针对每架无人机接收到的ads-b原始数据进行解码处理来得到无人机的实时位置信息，进而得到无人机的飞行信息；并将解码处理后的ads-b数据进行坐标转换为地面坐标，得到无人机相对于地面的位置，具体包括：
3.根据权利要求2所述的一种改进混合互惠速度障碍的多无人机飞行避碰方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：王尔申，纪贵鹏，徐嵩，郭婧，王金刚，王传云，陈萍，曲萍萍，王延文，娜拉，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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