[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

说明书

提出一种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：无人机防碰撞安全边界的计算；无人机的防碰撞有效指令集的计算；生成无人机防碰撞指令。本发明的方法可以用作无人机的在线障碍规避方法，除此之外之外，本发明的方法还可以用于机器人、无人舰艇等其他无人设备的障碍规避应用。

技术领域

本发明涉及无人机的防碰撞控制技术领域，具体涉及一种基于安全边界分 析的无人机认知防碰撞控制方法。

背景技术

随着中低空空域中的无人机数量日益增多，各类无人机的碰撞事故层出 不穷，严重制约了无人机效能的发挥。与此同时，世界各国都在加紧开发其 通用航空领域的空域资源，因此，在今后很长一段时间内空域中飞行器的数 目将会显著增加，空域中飞行器密度的增大将会使得无人机在执行任务过程 中发生碰撞事故的概率显著增加。在人工操纵时，地面站操纵人员无法实时 了解无人机周围空域的情况，且操纵人员通过数据链对无人机进行操控时， 操控存在很大的滞后性，因此无人机的碰撞规避问题很难仅仅依靠地面操纵人员的操控来得到有效解决。在这样的背景下，无人机必须具备一定的障碍 规避能力。

当前常见的无人机自主碰撞规避方法主要有航路规划法、人工势场法、 几何法等。然而，但在未来高复杂度、高对抗性的环境中，现有的无人机自 主碰撞规避方法存在以下不足：

(1)预规划类型的避障方法只适合于飞行区域中全部障碍已知的碰撞规 避问题，对于突发障碍无法满足实时避障的要求，并且生成的航路不一定是 无人机的可飞航路。

(2)部分障碍规避方法解算较为复杂，在复杂环境中算法的计算量将急 剧增大，一方面无法满足无人机快速避障的实时性要求，另一方面增加了机 载设备的负担。

(3)在现有的无人机防碰撞方法中，大多数都是求解出一个最优防碰撞 解，然而，在无人机实际飞行的过程中，由于环境的复杂性和不确定性，飞 行计划随时可能发生改变，仅仅一个可选避障方案是不够的。

(4)在无人机防碰撞问题中，无人机能够实现防碰撞的边界条件，即安 全边界分析，是一个重要的问题，需要进行求解分析。

发明内容

本发明的方法较详细地分析了无人机与威胁之间的几何关系，求解出了无 人机防碰撞的安全边界以及防碰撞有效指令集，在此基础上提出了基于安全边 界分析的无人机认知防碰撞控制方法。相比于其他无人机防碰撞方法，具有方 法简洁、计算简单、满足实施规划需求等优点。

本发明的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△ACO中，根据余弦定理可以求得