[发明专利]一种基于安全边界分析的无人机认知防碰撞控制方法

权利要求书

1.一种基于安全边界分析的无人机认知防碰撞控制方法，包括下列步骤：

一、无人机防碰撞安全边界的计算

设某一时刻，无人机A的飞行速度为V，当机载环境感知传感器探测到前方的威胁C时，无人机立即以最小转弯半径R₀做紧急避障机动；记无人机与威胁之间的距离AC＝d，无人机与威胁之间连线与正北方向的夹角为β；设无人机A的碰撞域等效半径为R₁，威胁C的碰撞域等效半径为R₂；无人机的避障航迹为其中为弧线段，BF为直线段，在这条航迹上，无人机与威胁相距最近的点记为B点，BC记为无人机避障过程中与威胁的最小距离；假设威胁的速度V₁的大小保持不变，速度方向无法确定，因此将其在一定时间τ_s之后可能出现的区域用一个半径为R₃圆形表示，满足关系：

R₃-R₂＝τ_s·V₁ (1)

式中

式中，φ_max为无人机的最大滚转角，g为重力加速度，α表示无人机以最小转弯半径所转动的角度；

在ΔACO中，根据余弦定理可以求得

根据无人机在定高平面内协调转弯的几何关系，可以得到无人机的最小转弯半径：

R₀＝V²/(gtanφ_max) (4)

根据以上分析，对于无人机认知防碰撞来说，只要控制最小距离BC保持在合理的范围内，即不小于无人机和威胁的碰撞域等效半径之和，就可以使无人机避免和威胁发生碰撞；即满足条件

BC≥R₁+R₂+αVV₁/(g tanφ_max) (5)

极限情况下等式两边相等，可以解算出关系式：

式中d₀为无人机与威胁的防碰撞紧急避障距离，对于无人机防碰撞控制问题，核心的是要控制无人机与威胁的距离d，只要保证d始终大于d₀，就可以保证无人机安全地飞行；因此，可以得到威胁对无人机的防碰撞安全边界划分；

在无人机飞行高度平面内，设距离威胁中心的距离为r，可以定义周围的空间如下；

威胁区域AA：威胁的碰撞域等效半径范围空间内，即r≤R₂；

动态威胁区域BB：不确定动态威胁在一定时间内可能出现的区域，即R₂＜r≤τ_s·V₁；

危险区域CC：无人机一定和威胁发生碰撞的区域，即r≤R₁/2；

不确定区域DD：无人机与威胁是否发生碰撞取决于无人机的初始状态，即R₁/2＜r≤d₀；

安全区域EE：无人机与威胁不会发生碰撞，即r＞d₀；

二、无人机的防碰撞有效指令集的计算

根据防碰撞安全边界的划分，可以十分准确、便捷地判断无人机与威胁的作用关系，首先提出以下两个概念；

防碰撞有效指令：如果控制指令可以使得无人机始终保持在防碰撞安全区域，即步骤一中的安全区域EE内运动，则认为此防碰撞指令是有效的；

防碰撞有效指令集：无人机的防碰撞有效指令集是指在当前状态及威胁条件下，所有防碰撞有效指令构成的集合；

根据上述定义和防碰撞安全边界的内容，无人机防碰撞有效指令集E可以表示为：

式中，V_c、φ_c分别表示无人机的速度指令以及无人机的滚转角指令；

防碰撞有效指令集的含义是指无人机在防碰撞安全区域内运动的前提下，能够保证不与威胁发生碰撞的全部避障控制指令集合；

令d₀表示无人机的防碰撞安全区域的边界，假设无人机此时与威胁的距离d₁＞d₀，E_V表示速度指令的防碰撞有效指令集区域，当无人机采用速度V₁进行避障时，刚好不会与威胁发生碰撞，速度V₁是无人机保持安全飞行的最大速度，因此无人机的速度有效指令集为V∈[V_min，V₁]，该中括号表示集合区间，即第一个数值表示最小值，第二个表示最大值，其中V_min表示当无人机与威胁的距离为d₀时，无人机只能以最小飞行速度V_min飞行时才能避开障碍区域；E_φ表示滚转角指令的防碰撞有效指令集区域，在其他参数保持不变的前提下，当无人机采用滚转角φ₁进行避障时，刚好不会与威胁发生碰撞，滚转角φ₁是无人机保持安全飞行的最小滚转角，因此无人机的滚转角有效指令集为φ∈[φ₁，φ_max]，其中φ_max表示当无人机与威胁的距离为d₀时，无人机只能以最大滚转角φ_max才能避开障碍区域；

三、生成无人机防碰撞指令

无人机的认知防碰撞控制策略可以根据防碰撞稳定域和防碰撞有效指令集提出，主要思想是使无人机通过对环境的感知，实现无人机对当前所处“域”的认知，再根据任务需求或者性能指标要求进行指令的选择；

设选取避障指令∏时防碰撞稳定的指令集为[∏₁，∏₂]，∏₁，∏₂分别表示避障指令的最大和最小值，定义安全性函数为F₁(∏)，用于描述选择避障指令∏后所飞航路对无人机的威胁程度，路程代价函数为F₂(∏)，用于描述选择避障指令∏后所飞航路的路程代价；安全性函数F₁(∏)和路程代价函数F₂(∏)的表达形式根据无人机实际应用需求而定；

根据安全性函数F₁(∏)和路程代价函数F₂(∏)，得到无人机最终的输出指令∏_out为：

∏_out＝G[k₁F₁(∏)+k₂F₂(∏)]∏∈[∏₁，∏₂] (10)

其中G(·)表示避障指令函数，k_i(i＝1，2)表示各个代价的权重。