一种无人机动态紧急避撞区的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，可用于无人机遭遇入侵机时紧急避撞区包络的构建。首先通过冲突检测算法判定无人机与入侵机是否存在飞行冲突，如果飞机间存在飞行冲突，则根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式，并通过分析紧急避撞机动过程，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，通过求解模型方程，得到紧急避撞区边界值以及避撞机动所需时间。本发明专利技术提供的方法利用实时获取的入侵机飞行信息，动态建立无人机紧急避撞区。该方法可以为系统同时提供最小避撞距离与避撞机动所需时间双重参考信息，更大程度上保证了避撞成功率；并且缩小了避撞区包络面积，避免了不必要的空域浪费和避撞机动，同时具有较好的实时性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于飞行安全

技术介绍
目前，无人机已被广泛应用于侦察监视、对地攻击、毁伤评估等军事领域，在森林防火、地理測量、灾难监测等民用领域也有重要的应用前景。随着无人机的广泛应用，其对空域的要求也日益紧迫。由于无人机尚不具备自主感知与规避的能力，所以现阶段无人机还无法与民用航空飞机共享开放空域。因此，如何在确保飞行安全的前提下通过共享提高空域的利用率成为了新的研究热点。在这样的背景下，美国等ー些航空业发达国家提出“自由飞行(Free Flight)”的概念，即在开放的空域中，飞机的速度和飞行路径由飞行员自己決定。自由飞行为解决空中 航线拥挤的局面，更高效地利用空间资源开辟了另外一条新的思路。如今，随着GPS和各种机载电子设备等硬件的出现，自由飞行已成为可能。飞行冲突探測与解决是实现自由飞行的关键问题。如何利用已有的各种数据和信息，对飞机飞行中是否存在冲突作出准确、合理的判断，并使飞机避免飞行冲突，顺利完成飞行任务，已成为目前一项紧迫的任务。对于无人机而言，为了能和其它飞行器共享空域，必须具备自主威胁感知与规避能力。通过感知系统检测无人机周围可能的威胁信息，通过碰撞检测算法判断冲突的可能，通过避撞机动避免碰撞。近年来，国内外学者围绕无人机自主威胁感知与规避策略展开了大量卓有成效的研究。目前见诸文献的避撞方法有以飞机间互通飞行信息为前提，水平面内协作避撞策略；利用TCAS的感知与决策功能，完成相应的避撞机动；以自我感知获得入侵机飞行信息为前提，判定是否存在冲突，并对避撞范围作定值处理，完成避撞任务。上述方法中，通常需要飞行器之间具有相互通信能力，并且对于避撞区域的划分方式会造成空域的浪费以及不必要的避撞机动。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出，依据无人机与入侵机的飞行信息，建立无人机动态紧急避撞区，在紧急避撞策略下，可以为系统同时提供最小避撞距离与避撞所需时间双重參考信息，更大程度上保证了避撞成功率，并且避免了不必要的空域浪费和避撞机动。本专利技术的，首先通过冲突检测方法判定无人机与入侵机是否存在飞行冲突，如果飞机间存在飞行冲突，则根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式，并通过分析紧急避撞机动过程，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，通过求解模型方程，得到紧急避撞区边界值以及避撞机动所需时间。具体包括如下步骤步骤ー根据无人机的机载感知设备获取入侵机相关飞行信息，并通过冲突检测算法判定无人机与入侵机是否存在飞行冲突。步骤ニ 如果步骤一的判定结果为无人机与入侵机之间存在飞行冲突，则根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式(例如采取最大侧向过载进行左转/右转避撞机动)。步骤三通过分析紧急避撞机动过程，建立无人机动态紧急避撞区模型方程(所得模型方程与入侵机入侵方位角有关)。步骤四采用常用的解非线性方程组方法(比如二分法)，对所建无人机紧急避撞区模型方程进行求解计算，得到紧急避撞区的边界值以及避撞过程所需时间。步骤五将入侵机方位角依次从(Γ2π范围内取值，并重复采用步骤四进行求解计算，可以得到无人机紧急避撞区完整包络。 本专利技术的优点在于( I)本专利技术提供的方法通过实时检测入侵机的飞行信息，并通过所得数据动态建立紧急避撞区包络，使所建包络具有针对性；(2)本专利技术提供的方法为系统同时提供最小避撞距离与避撞机动所需时间双重參考信息，更大程度上保证了避撞成功率；(3)本专利技术提供的方法縮小了避撞区包络面积，避免了不必要的空域浪费和避撞机动，并且具有较好的实时性。附图说明图I是本专利技术的方法流程图；图2是无人机与入侵机冲突检测模型示意图；图3a是无人机与入侵机迎面遭遇情形示意图；图3b是无人机与入侵机追尾遭遇情形示意图；图3c是无人机与入侵机正侧向遭遇情形示意图；图4是紧急避撞区模型方程的求解过程。具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进ー步的详细说明。本专利技术提出了，首先通过冲突检测方法判定无人机与入侵机是否存在飞行冲突，如果飞机间存在飞行冲突，则根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式，并通过分析紧急避撞机动过程，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，通过求解模型方程，得到紧急避撞区边界值以及避撞机动所需时间。本专利技术的，流程如图I所示，包括以下几个步骤步骤ー根据无人机的机载感知设备获取入侵机相关飞行信息，并通过冲突检测方法判定无人机与入侵机是否存在飞行冲突。无人机与入侵机冲突检测模型，如图2所示，无人机的机载感知设备获取无人机的飞行速度Vtl、入侵机的飞行速度V1、无人机与入侵机的相対速度则实际飞行情况可以等效为无人机静止不动，入侵机以\飞行，间隔单位时间内，进行两次測量，获取第一次测量时，无人机与入侵机的相对距离も、R1与Vtl之间的夹角，即相对方位角Θ i，然后，单位时间间隔后，获取第二次测量时，无人机与入侵机的相对距离R2、R2与Vtl之间的夹角，即相对方位角Θ 2，通过几何关系推导可得，当无人机与入侵机到达最接近点处时，水平相对距离为权利要求1.，其特征在于，包括以下几个步骤 步骤ー根据无人机的机载感知设备获取入侵机的飞行信息，并通过冲突检测方法判断无人机与入侵机是否存在飞行冲突； 无人机的机载感知设备获取无人机的飞行速度Vtl、入侵机的飞行速度V1、无人机与入侵机的相対速度 '，则实际飞行情况等效为无人机静止不动，入侵机以\飞行，间隔单位时间内，进行两次測量，获取第一次测量时，无人机与入侵机的相对距离R1、相对方位角Θ P相对方位角Θ i为R1与Vtl之间的夹角，然后，单位时间间隔后，获取第二次测量时，无人机与入侵机的相对距离R2、相对方位角θ2，相对方位角02为民与Vtl之间的夹角，通过几何关系推导可得，当无人机与入侵机到达最接近点处时，水平相对距离为 D =RlR2Smiei-O2) ； 'IR R21 -IRlR2CQSiO. -θ2)(1) 设定无人机的最小安全距离Dlimit,如果Dmin小于飞机间最小安全距离Dlimit,则无人机与入侵机间存在飞行冲突，进入步骤ニ ； 步骤ニ 如果判定无人机与入侵机之间存在飞行冲突，根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式； ①当无人机与入侵机迎面遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞任务； ②当无人机与入侵机追尾遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞任务； ③当无人机与入侵机正侧向遭遇且入侵机在无人机右侧或者左侧，无人机采取以最大转弯角速率r左转机动或者右转机动完成紧急避撞任务； 步骤三建立无人机动态紧急避撞区模型方程； 根据步骤ニ得到的三种不同情形下的紧急避撞机动方式，分别建立无人机动态紧急避撞区模型方程 ①当无人机与入侵机迎面遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为 其中Λχ为无人机与入侵机前向相对距离，Ay为无人机与入侵机侧向相对距离，V。、V1分别为无人机、入侵机的飞行速度，Θ为紧急避撞机动开始时，入侵机与无人机的相对方位角；D为紧急避撞机动开始时，无人机与入侵机的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：根据无人机的机载感知设备获取入侵机的飞行信息，并通过冲突检测方法判断无人机与入侵机是否存在飞行冲突；无人机的机载感知设备获取无人机的飞行速度V0、入侵机的飞行速度V1、无人机与入侵机的相对速度Vr，则实际飞行情况等效为无人机静止不动，入侵机以Vr飞行，间隔单位时间内，进行两次测量，获取第一次测量时，无人机与入侵机的相对距离R1、相对方位角θ1，相对方位角θ1为R1与V0之间的夹角，然后，单位时间间隔后，获取第二次测量时，无人机与入侵机的相对距离R2、相对方位角θ2，相对方位角θ2为R2与V0之间的夹角，通过几何关系推导可得，当无人机与入侵机到达最接近点处时，水平相对距离为：Dmin=R1R2sin(θ1-θ2)R12+R22-2R1R2cos(θ1-θ2)---(1)设定无人机的最小安全距离Dlimit，如果Dmin小于飞机间最小安全距离Dlimit，则无人机与入侵机间存在飞行冲突，进入步骤二；步骤二：如果判定无人机与入侵机之间存在飞行冲突，根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式；①当无人机与入侵机迎面遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞任务；②当无人机与入侵机追尾遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞任务；③当无人机与入侵机正侧向遭遇且入侵机在无人机右侧或者左侧，无人机采取以最大转弯角速率r左转机动或者右转机动完成紧急避撞任务；步骤三：建立无人机动态紧急避撞区模型方程；根据步骤二得到的三种不同情形下的紧急避撞机动方式，分别建立无人机动态紧急避撞区模型方程：①当无人机与入侵机迎面遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为：Δx=Dcosθ-V1t-V0rsin(r*t)Δy=Dsinθ+V0r-V0rcos(r*t)D[V0sinθsin(rt)-V0cosθcos(rt)-V1cosθ]+V02rsin(rt)+V12t+V0rV1sin(rt)+V0V1tcos(rt)=0(Δx)2+(Δy)2-Dlimit2=0---(3)其中：Δx为无人机与入侵机前向相对距离，Δy为无人机与入侵机侧向相对距离，V0、V1分别为无人机、入侵机的飞行速度，θ为紧急避撞机动开始时，入侵机与无人机的相对方位角；D为紧急避撞机动开始时，无人机与入侵机的相对距离，即为紧急避撞区的边界值；r表示无人机转弯角速率；t表示紧急避撞机动需要的时间；h(t)为紧急避撞机动开始t时间后，无人机与入侵机的相对距离，引入约束条件，当h“(t)＝0时刻，h(t)刚好等于无人机与入侵机的最小安全距离Dlimit；通过求解模型方程（3），获得到达最小安全距离时刻t以及入侵机与无人机相对方位角为θ入侵时，紧急避撞区的边界值D；②当无人机与入侵机追尾遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为：重复上述①的过程，得到紧急避撞区的模型方程：Δx=Dcosθ-V1t-V0rsin(r*t)Δy=Dsinθ+V0r-V0rcos(r*t)D[V0sinθsin(rt)+V0cosθcos(rt)-V1cosθ]+V02rsin(rt)+V12t-V0V1rsin(rt)-V0V1tcos(rt)=0(Δx)2+(Δy)2-Dlimit2=0---(4)通过求解模型方程（4），得到到达最小安全距离时刻t以及入侵机与无人机相对方位角为θ入侵时，紧急避撞区的边界值D；③当无人机与入侵机正侧向遭遇且入侵机在无人机右侧或者左侧，无人机采取以最大转弯角速率r左转机动或者右转机动完成紧急避撞机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为：重复上述①的过程，得到紧急避撞区的模型方程：Δx=Dcosθ-V0rsin(r*t)Δy=Dsinθ-V1t+V0r-V0rcos(r*t)D[V0cosθcos(rt)-V...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏伦，许敬刚，梁宵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：