[发明专利]一种有人机对无人机障碍规避的监督控制方法

权利要求书

1.一种有人机对无人机障碍规避的监督控制方法，其特征在于包括下述步骤：

Step1：定义环境因素、障碍规避动作及监督控制模式

无人机在遇到障碍物时有4种障碍规避动作，包括自主障碍规避动作A1、减速等待指令动作A2、盘旋等待指令动作A3和返回动作A4；

其中，定义自主障碍规避动作A1为高等级的动作；减速等待指令A2和盘旋等待指令A3为中等级的动作；返回A4为低等级的动作；

监督控制模式为3个模式，无人机的自主能力由高到低分别为例外管理模式L3、同意管理模式L2和指令控制模式L1；无人机初始模式为例外管理模式L3；

定义无人机监督控制模式如表1所示；

表1三种监督控制模式及其对应动作

动作执行方式是指无人机在有人机监督控制下，完成对应的障碍规避动作的方式，如表2所示：

表2三种监督控制模式及其对应的动作执行方式

1)环境因素包括障碍物距离远近、障碍物信息是否已知以及当前通信状况是否良好3个方面，定义如下：

①障碍物距离的定义，包括障碍距离近V3和障碍距离远V5；

相对于无人机，障碍物的位置可以表示为

式(1)中，P(t)为t时刻障碍物i的位置，t为时间，P(0)为障碍物i的初始位置，v_i为障碍物i的速度，v_u(τ)为无人机u的速度；

式(2)中为无人机的偏航角，无人机与障碍物距离的远近由到达障碍物位置的时间T由如下的公式定义：

②障碍物是否已知分为已知障碍V1和未知障碍V4，已知障碍指在作业区域中障碍物的图像信息和位置信息均已知，而未知障碍是在作业区域中障碍物的图像信息和位置信息至少有一个信息未知；

③当前通信状况分为通信正常和中断V2，通信中断指到达无人机接收机的信号强度小于有人机接收机的灵敏度，导致有人机与无人机间无法正常通信的情况；

2)环境因素和障碍规避动作的取值的值域为{0,1}，其中1表示该状态有效，0表示状态无效；具体环境因素以及动作状态的取值如下表3，表4所示：

表3环境因素的取值

其中*表示无关项，无关项表示取值可以是“0”或“1”，且该值不影响*下对应的状态，只影响其需要取特定值下的状态；

表4无人机动作状态的取值

Step2：无人机可选障碍规避动作的推理判断

1)由Step1写出状态向量

状态向量用C(k)来表示，其中k表示次数，C(0)表示初始状态向量，状态向量包括障碍规避动作和环境因素的全部内容，格式为：

其中，无规避动作时，默认无人机A1～A4的值全都为0，即

V1～V5为Step1得到的值，在Step2中始终为定值；

2)利用状态向量C(k)进行推理，推理过程如下：

①用状态向量C(k)乘邻接权值矩阵W得到中间向量X(k)：

X(k)＝C(k)W (6)

其中，节点之间的邻接权值矩阵W如下所示：

②对中间向量X(k)用状态转移函数f(x)处理中间向量X(k)的每个分量x，状态转移函数f(x)为二值阶跃函数：

其中，x为中间向量X(k)的分量，向量X(k)维度为4，分量x的值域为{0,1}；

③用中间向量X(k)更新状态向量C(k)，即

④不断重复步骤①、步骤②和步骤③，即不断更新状态向量用C(k)，直至状态向量C(k+n+1)＝C(k+n)，其中，n表示次数，即第(k+n+1)次状态向量的值与第(k+n)次状态向量的值相同；

其中a1,a2,a3,a4分别表示障碍规避动作A1,A2,A3,A4对应的取值，值为0或者1，a1、a2、a3、a4中取值为1的项，对应障碍规避动作为可选障碍规避动作；

⑤无人机提供可选障碍规避动作结果给有人机；

Step3：最终障碍规避动作判断

1)当满足如下条件a)、和b)其中一条时，则无人机需要与有人机进行交互：

a)环境因素中包含未知障碍V4项值为“1”，即V＝(*,*,*,1,*)，其中，*表示无关项，无关项表示取值为“0”或“1”；

b)可选障碍规避动作不符合无人机当前监督控制模式对应动作等级；

在当前监督控制模式中的动作执行方式如下：

①当无人机的监督控制模式为例外管理模式L3，无人机需要交互时，如15s内无人机无法提供障碍规避动作推理结果，即障碍物未知，则无人机降低监督控制模式到同意管理模式L2；如无人机向有人机提供障碍规避动作推理结果，无人机采用智能结合方式主动反馈，操作员在15s内不否定即执行无人机提供的障碍规避动作推理结果，反之，操作员在15s内否定则不执行，并降低监督控制模式到同意管理模式L2；

②当无人机的监督控制模式为同意管理模式L2，无人机需要交互时，如15s内无人机无法提供障碍规避动作推理结果，即障碍物未知，则无人机降低监督控制模式到指令控制模式L1；如无人机向有人机提供障碍规避动作推理结果，无人机采用智能结合方式主动反馈，等待操作员的认可，操作员在15s内不否定则执行无人机提供的障碍规避动作推理结果，15s内否定则不执行，并降低监督控制模式到指令控制模式L1；

③当无人机的监督控制模式为指令控制模式L1，无人机需要交互时，无人机向有人机提供障碍物的图像信息以及位置信息，并提供状态向量C(k)和障碍规避动作推理结果，有人机采用接管方式执行动作：

if(障碍类型已知)，then(选择自主障碍规避决策规避)

if(障碍类型未知并且距离远)，then(选择减速等待指令) (9)

if(障碍类型未知并且距离近)，then(选择盘旋等待指令)

通过命令给出无人机障碍规避动作，无人机15s内等待操作员的决策，按照决策结果执行，超时无决策，则返回基地；

2)当可选障碍规避动作符合无人机当前监督控制模式对应动作等级，并且环境因素未出现step2中步骤1)的判断条件a)的情况时，无人机不需与有人机交互，可选障碍规避动作按照如下优先级执行：

A1>A2>A3>A4 (10)

对应监督控制模式中动作执行方式如下：

①无人机不需要交互时，当在例外管理模式L3下，则允许执行的动作为自主障碍规避动作A1、减速等待指令动作A2、盘旋等待指令动作A3和返回动作A4，无人机按照式(10)优先级采用自主执行方式；

②无人机不需要交互时，当在同意管理模式L2下，允许执行的动作为减速等待指令动作A2、盘旋等待指令动作A3和返回动作A4，无人机按照式(10)优先级采用自主执行方式；

③无人机不需要交互时，当在指令控制模式L1下，允许执行的动作为返回动作A4；无人机按照式(10)优先级采用自主执行方式；

Step4：每30s更新一次Step1的环境因素和障碍规避动作的值，无人机监督控制模式若降低，更新无人机监督控制模式为降低后的模式，按照Step1～Step3循环往复，无人机执行最终得到的障碍规避动作，完成障碍规避，成功规避障碍后，无人机监督控制模式恢复为例外管理模式L3。