專利名稱：一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，屬于飛行安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，無人機(jī)已被廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、對地攻擊、毀傷評估等軍事領(lǐng)域，在森林防火、地理測量、災(zāi)難監(jiān)測等民用領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用前景。隨著無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，其對空域的要求也日益緊迫。由于無人機(jī)尚不具備自主感知與規(guī)避的能力，所以現(xiàn)階段無人機(jī)還無法與民用航空飛機(jī)共享開放空域。因此，如何在確保飛行安全的前提下通過共享提高空域的利用率成為了新的研究熱點(diǎn)。在這樣的背景下，美國等ー些航空業(yè)發(fā)達(dá)國家提出“自由飛行(Free Flight)”的概念，即在開放的空域中，飛機(jī)的速度和飛行路徑由飛行員自己決定。自由飛行為解決空中 航線擁擠的局面，更高效地利用空間資源開辟了另外一條新的思路。如今，隨著GPS和各種機(jī)載電子設(shè)備等硬件的出現(xiàn)，自由飛行已成為可能。飛行沖突探測與解決是實(shí)現(xiàn)自由飛行的關(guān)鍵問題。如何利用已有的各種數(shù)據(jù)和信息，對飛機(jī)飛行中是否存在沖突作出準(zhǔn)確、合理的判斷，并使飛機(jī)避免飛行沖突，順利完成飛行任務(wù)，已成為目前一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。對于無人機(jī)而言，為了能和其它飛行器共享空域，必須具備自主威脅感知與規(guī)避能力。通過感知系統(tǒng)檢測無人機(jī)周圍可能的威脅信息，通過碰撞檢測算法判斷沖突的可能，通過避撞機(jī)動避免碰撞。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞無人機(jī)自主威脅感知與規(guī)避策略展開了大量卓有成效的研究。目前見諸文獻(xiàn)的避撞方法有以飛機(jī)間互通飛行信息為前提，水平面內(nèi)協(xié)作避撞策略；利用TCAS的感知與決策功能，完成相應(yīng)的避撞機(jī)動；以自我感知獲得入侵機(jī)飛行信息為前提，判定是否存在沖突，并對避撞范圍作定值處理，完成避撞任務(wù)。上述方法中，通常需要飛行器之間具有相互通信能力，并且對于避撞區(qū)域的劃分方式會造成空域的浪費(fèi)以及不必要的避撞機(jī)動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，依據(jù)無人機(jī)與入侵機(jī)的飛行信息，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)，在緊急避撞策略下，可以為系統(tǒng)同時(shí)提供最小避撞距離與避撞所需時(shí)間雙重參考信息，更大程度上保證了避撞成功率，并且避免了不必要的空域浪費(fèi)和避撞機(jī)動。本發(fā)明的一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，首先通過沖突檢測方法判定無人機(jī)與入侵機(jī)是否存在飛行沖突，如果飛機(jī)間存在飛行沖突，則根據(jù)入侵機(jī)的飛行航向確定無人機(jī)緊急避撞的機(jī)動方式，并通過分析緊急避撞機(jī)動過程，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程，通過求解模型方程，得到緊急避撞區(qū)邊界值以及避撞機(jī)動所需時(shí)間。具體包括如下步驟步驟ー根據(jù)無人機(jī)的機(jī)載感知設(shè)備獲取入侵機(jī)相關(guān)飛行信息，并通過沖突檢測算法判定無人機(jī)與入侵機(jī)是否存在飛行沖突。步驟ニ 如果步驟一的判定結(jié)果為無人機(jī)與入侵機(jī)之間存在飛行沖突，則根據(jù)入侵機(jī)的飛行航向確定無人機(jī)緊急避撞的機(jī)動方式(例如采取最大側(cè)向過載進(jìn)行左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)避撞機(jī)動)。步驟三通過分析緊急避撞機(jī)動過程，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程(所得模型方程與入侵機(jī)入侵方位角有關(guān))。步驟四采用常用的解非線性方程組方法(比如二分法)，對所建無人機(jī)緊急避撞區(qū)模型方程進(jìn)行求解計(jì)算，得到緊急避撞區(qū)的邊界值以及避撞過程所需時(shí)間。步驟五將入侵機(jī)方位角依次從(Γ2π范圍內(nèi)取值，并重復(fù)采用步驟四進(jìn)行求解計(jì)算，可以得到無人機(jī)緊急避撞區(qū)完整包絡(luò)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于( I)本發(fā)明提供的方法通過實(shí)時(shí)檢測入侵機(jī)的飛行信息，并通過所得數(shù)據(jù)動態(tài)建立緊急避撞區(qū)包絡(luò)，使所建包絡(luò)具有針對性；(2)本發(fā)明提供的方法為系統(tǒng)同時(shí)提供最小避撞距離與避撞機(jī)動所需時(shí)間雙重參考信息，更大程度上保證了避撞成功率；(3)本發(fā)明提供的方法縮小了避撞區(qū)包絡(luò)面積，避免了不必要的空域浪費(fèi)和避撞機(jī)動，并且具有較好的實(shí)時(shí)性。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是無人機(jī)與入侵機(jī)沖突檢測模型示意圖；圖3a是無人機(jī)與入侵機(jī)迎面遭遇情形示意圖；圖3b是無人機(jī)與入侵機(jī)追尾遭遇情形示意圖；圖3c是無人機(jī)與入侵機(jī)正側(cè)向遭遇情形示意圖；圖4是緊急避撞區(qū)模型方程的求解過程。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提出了一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，首先通過沖突檢測方法判定無人機(jī)與入侵機(jī)是否存在飛行沖突，如果飛機(jī)間存在飛行沖突，則根據(jù)入侵機(jī)的飛行航向確定無人機(jī)緊急避撞的機(jī)動方式，并通過分析緊急避撞機(jī)動過程，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程，通過求解模型方程，得到緊急避撞區(qū)邊界值以及避撞機(jī)動所需時(shí)間。本發(fā)明的一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，流程如圖I所示，包括以下幾個(gè)步驟步驟ー根據(jù)無人機(jī)的機(jī)載感知設(shè)備獲取入侵機(jī)相關(guān)飛行信息，并通過沖突檢測方法判定無人機(jī)與入侵機(jī)是否存在飛行沖突。無人機(jī)與入侵機(jī)沖突檢測模型，如圖2所示，無人機(jī)的機(jī)載感知設(shè)備獲取無人機(jī)的飛行速度Vtl、入侵機(jī)的飛行速度V1、無人機(jī)與入侵機(jī)的相対速度則實(shí)際飛行情況可以等效為無人機(jī)靜止不動，入侵機(jī)以\飛行，間隔單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行兩次測量，獲取第一次測量時(shí)，無人機(jī)與入侵機(jī)的相對距離も、R1與Vtl之間的夾角，即相對方位角Θ i，然后，單位時(shí)間間隔后，獲取第二次測量時(shí)，無人機(jī)與入侵機(jī)的相對距離R2、R2與Vtl之間的夾角，即相對方位角Θ 2，通過幾何關(guān)系推導(dǎo)可得，當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)到達(dá)最接近點(diǎn)處時(shí)，水平相對距離為
權(quán)利要求
1.一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟 步驟ー根據(jù)無人機(jī)的機(jī)載感知設(shè)備獲取入侵機(jī)的飛行信息，并通過沖突檢測方法判斷無人機(jī)與入侵機(jī)是否存在飛行沖突； 無人機(jī)的機(jī)載感知設(shè)備獲取無人機(jī)的飛行速度Vtl、入侵機(jī)的飛行速度V1、無人機(jī)與入侵機(jī)的相対速度 '，則實(shí)際飛行情況等效為無人機(jī)靜止不動，入侵機(jī)以\飛行，間隔單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行兩次測量，獲取第一次測量時(shí)，無人機(jī)與入侵機(jī)的相對距離R1、相對方位角Θ P相對方位角Θ i為R1與Vtl之間的夾角，然后，單位時(shí)間間隔后，獲取第二次測量時(shí)，無人機(jī)與入侵機(jī)的相對距離R2、相對方位角θ2，相對方位角02為民與Vtl之間的夾角，通過幾何關(guān)系推導(dǎo)可得，當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)到達(dá)最接近點(diǎn)處時(shí)，水平相對距離為 D =RlR2Smiei-O2) ； 'IR R21 -IRlR2CQSiO. -θ2)(1) 設(shè)定無人機(jī)的最小安全距離Dlimit,如果Dmin小于飛機(jī)間最小安全距離Dlimit,則無人機(jī)與入侵機(jī)間存在飛行沖突，進(jìn)入步驟ニ ； 步驟ニ 如果判定無人機(jī)與入侵機(jī)之間存在飛行沖突，根據(jù)入侵機(jī)的飛行航向確定無人機(jī)緊急避撞的機(jī)動方式； ①當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)迎面遭遇且入侵機(jī)在無人機(jī)左側(cè)或者右側(cè)，無人機(jī)采取以最大轉(zhuǎn)彎角速率r右轉(zhuǎn)機(jī)動或者左轉(zhuǎn)機(jī)動完成緊急避撞任務(wù)； ②當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)追尾遭遇且入侵機(jī)在無人機(jī)左側(cè)或者右側(cè)，無人機(jī)采取以最大轉(zhuǎn)彎角速率r右轉(zhuǎn)機(jī)動或者左轉(zhuǎn)機(jī)動完成緊急避撞任務(wù)； ③當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)正側(cè)向遭遇且入侵機(jī)在無人機(jī)右側(cè)或者左側(cè)，無人機(jī)采取以最大轉(zhuǎn)彎角速率r左轉(zhuǎn)機(jī)動或者右轉(zhuǎn)機(jī)動完成緊急避撞任務(wù)； 步驟三建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程； 根據(jù)步驟ニ得到的三種不同情形下的緊急避撞機(jī)動方式，分別建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程 ①當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)迎面遭遇且入侵機(jī)在無人機(jī)左側(cè)或者右側(cè)，無人機(jī)采取以最大轉(zhuǎn)彎角速率r右轉(zhuǎn)機(jī)動或者左轉(zhuǎn)機(jī)動，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程，具體為 其中Λχ為無人機(jī)與入侵機(jī)前向相對距離，Ay為無人機(jī)與入侵機(jī)側(cè)向相對距離，V。、V1分別為無人機(jī)、入侵機(jī)的飛行速度，Θ為緊急避撞機(jī)動開始時(shí)，入侵機(jī)與無人機(jī)的相對方位角；D為緊急避撞機(jī)動開始時(shí)，無人機(jī)與入侵機(jī)的相對距離，即為緊急避撞區(qū)的邊界值；r表示無人機(jī)轉(zhuǎn)彎角速率表示緊急避撞機(jī)動需要的時(shí)間； h(t)為緊急避撞機(jī)動開始t時(shí)間后，無人機(jī)與入侵機(jī)的相對距離h(l) = ^(Ax)2+(Ayf ；引入約束條件，當(dāng)h’ (t) = O時(shí)刻，h(t)剛好等于無人機(jī)與入侵機(jī)的最小安全距離Dlimit ； 通過求解模型方程(3)，獲得到達(dá)最小安全距離時(shí)刻t以及入侵機(jī)與無人機(jī)相對方位角為Θ入侵時(shí)，緊急避撞區(qū)的邊界值D ; ②當(dāng)無人機(jī)與入侵機(jī)追尾遭遇且入侵機(jī)在無人機(jī)左側(cè)或者右側(cè)，無人機(jī)采取以最大轉(zhuǎn)彎角速率r右轉(zhuǎn)機(jī)動或者左轉(zhuǎn)機(jī)動完成緊急避撞機(jī)動，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程，具體為 重復(fù)上述①的過程，得到緊急避撞區(qū)的模型方程
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，其特征在于，所述的步驟四中，緊急避撞區(qū)模型方程的求解方法為①根據(jù)步驟三所得緊急避撞區(qū)模型方程組中的第三個(gè)方程
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)的建模方法，可用于無人機(jī)遭遇入侵機(jī)時(shí)緊急避撞區(qū)包絡(luò)的構(gòu)建。首先通過沖突檢測算法判定無人機(jī)與入侵機(jī)是否存在飛行沖突，如果飛機(jī)間存在飛行沖突，則根據(jù)入侵機(jī)的飛行航向確定無人機(jī)緊急避撞的機(jī)動方式，并通過分析緊急避撞機(jī)動過程，建立無人機(jī)動態(tài)緊急避撞區(qū)模型方程，通過求解模型方程，得到緊急避撞區(qū)邊界值以及避撞機(jī)動所需時(shí)間。本發(fā)明提供的方法利用實(shí)時(shí)獲取的入侵機(jī)飛行信息，動態(tài)建立無人機(jī)緊急避撞區(qū)。該方法可以為系統(tǒng)同時(shí)提供最小避撞距離與避撞機(jī)動所需時(shí)間雙重參考信息，更大程度上保證了避撞成功率；并且縮小了避撞區(qū)包絡(luò)面積，避免了不必要的空域浪費(fèi)和避撞機(jī)動，同時(shí)具有較好的實(shí)時(shí)性。
文檔編號G05D1/10GK102854883SQ201210230268
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者王宏倫, 許敬剛, 梁宵 申請人:北京航空航天大學(xué)