[发明专利]一种无人机动态紧急避撞区的建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，属于飞行安全技术领域。

背景技术

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、地理测量、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，美国等一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决定。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。飞行冲突探测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。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，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参考信息，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。

本发明的一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，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：

步骤一：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。

步骤二：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0~2π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。

本发明的优点在于：

（1）本发明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）本发明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参考信息，更大程度上保证了避撞成功率；

（3）本发明提供的方法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，并且具有较好的实时性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

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。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。