[发明专利]一种大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法

权利要求书

1.一种大型无人机冲突检测与避让决策装置，其特征在于，所述大型无人机冲突检测与避让决策装置包括数据获取模块、本机参数配置模块、冲突检测与避让模块和显示模块；

所述数据获取模块获取本机信息、目标航空器信息；所述本机信息包括该大型无人机的位置速度信息和该大型无人机的性能约束信息，所述位置速度信息包括该大型无人机所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；该大型无人机的性能约束信息包括该大型无人机的最大转弯率、最小和/或最大水平速率、最大水平加速度、最小垂直速率和最大垂直加速度；所述目标航空器指待检测的航空器，所述目标航空器信息包括该目标航空器的位置速度信息，包括所述目标航空器所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；

所述本机参数配置模块用于配置该大型无人机的本机性能约束、安全间隔阈值参数及告警阈值参数；安全间隔是以大型无人机为中心定义的，以预设水平方向和垂直方向的距离、时间为基准的，标识目标航空器与无人机之间的一个冲突危险区域的范围；所述安全间隔阈值参数包括该大型无人机与目标航空器在水平方向的时间和/或距离阈值、以及垂直方向的时间和/或距离阈值，用于度量该大型无人机与目标航空器之间是否存在冲突危险；告警阈值是在不同告警级别下，触发进行相应级别的告警的阈值；所述告警阈值参数包括若干以时间度量的、用于表达与冲突危险区域边界距离的时间阈值；

所述冲突检测与避让模块包括安全间隔入侵检测模块、多级告警模块及间隔保持与避让决策模块；

所述安全间隔入侵检测模块根据获取的本机信息、目标航空器信息，通过计算，判断目标航空器是否已经入侵、对目标航空器是否有入侵趋势进行预判；

所述多级告警模块用于获取所述安全间隔入侵检测模块的计算结果，进行矫正型、警告型、安全间隔入侵三类告警；

所述间隔保持与避让决策模块基于所述数据获取模块获取的数据，为所述大型无人机在水平速度、航向、垂直速度和垂直高度提供决策建议；

所述显示模块用于接收并显示告警信息、决策建议；

所述安全间隔入侵检测模块包括安全间隔入侵判断子模块和安全间隔入侵预判子模块；

所述安全间隔入侵判断子模块获取本机信息、目标航空器信息，在以本机为原点的三维欧式相对坐标系中，计算本机与目标航空器的水平相对位置矢量s＝s_o-s_i，其中，s_o为目标航空器的水平位置，s_i为本机的水平位置；垂直相对位置变量s_z＝s_oz-s_iz，其中，s_oz为目标航空器的垂直位置，s_iz为本机的垂直位置；水平相对速度矢量v＝v_o-v_i，其中，v_o为目标航空器的水平速度，v_i为本机的水平速度，垂直相对速度变量v_z＝v_oz-v_iz，其中，v_oz为目标航空器的垂直速度，v_iz为本机的垂直速度；根据由本机参数配置模块配置的DMOD、TAUMOD、ZTHR和TCOA四个门限值限定的冲突危险区域，判断该大型无人机与目标航空器是否发生安全间隔入侵事件；其中，DMOD为水平方向距离间隔阈值，TAUMOD为水平方向时间间隔阈值，ZTHR为垂直方向距离间隔阈值，TCOA为垂直方向时间间隔阈值；

所述安全间隔入侵预判子模块以所述大型无人机与所述目标航空器的水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入，预计该目标航空器穿入冲突危险区域时间t_in、穿出冲突危险区域时间t_out，返回时间区间[t_in,t_out]；判断目标航空器未来是否进入该大型无人机的冲突危险区域，其中，B表示探测开始时间，T表示探测结束时间；

所述安全间隔入侵预判子模块以所述大型无人机与所述目标航空器的水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入，预计该目标航空器穿入冲突危险区域时间t_in、穿出冲突危险区域时间t_out，返回时间区间[t_in,t_out]；判断目标航空器未来是否进入该大型无人机的冲突危险区域，包括：

以大型无人机与所述目标航空器当前水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入参数；调用垂直方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，获取垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]；

若t₁t₂，说明垂直方向在[B,T]时间内不会发生安全间隔入侵，因而判断不会发生安全间隔入侵事件，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[T,B]；

若t₁＝t₂，说明垂直方向切过危险区域，则调用水平方向穿入、穿出冲突危险区域预判逻辑单元，获取水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]，判断t₁时刻是否处于水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]内，若是，则判断t₁瞬间为安全间隔入侵状态，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[t₁,t₁]，若否，判断不会发生安全间隔入侵事件，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[T,B]；

若t₁＜t₂,以水平方向相对初始位置s+t₁·v、水平相对速度矢量v、预判时间间隔t₂-t₁为输入参数，调用水平方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，返回水平方向穿入、穿出安全间隔时间区间[t′_in，t′_out],对时间区间[t′_in，t′_out]叠加t₁后，返回该目标航空器穿入冲突危险区域、穿出冲突危险区域的时间区间[t_in,t_out]的值为[t′_in+t₁,t′_out+t₁]；

垂直方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，获取垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]，包括：

输入所述大型无人机和目标航空器某时刻的垂直相对位置s_{z_ver}和垂直相对速度v_{z_ver}，本机参数配置模块配置的垂直方向安全间隔距离阈值ZTHR和时间阈值TCOA，以及预设探测时间间隔区间[B,T]；

若垂直相对速度v_{z_ver}为0，且垂直相对位置s_{z_ver}小于或等于间隔阈值ZTHR，则在预设探测时间间隔区间[B,T]内均处于安全间隔入侵状态，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[B,T]；

若垂直相对速度v_{z_ver}为0，且垂直相对位置s_z大于间隔阈值ZTHR，则在预设探测时间间隔区间[B,T]内不会发生安全间隔入侵事件，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[T,B]；

若目标航空器与所述大型无人机之间存在垂直相对速度，计算并返回垂直方向出现安全间隔入侵的最早时间t_{in_ver}和最晚时间t_{out_ver}；其中，

若计算得到的垂直方向出现安全间隔入侵的最早时间t_{in_ver}大于T，或垂直方向出现安全间隔入侵的最晚时间t_{out_ver}小于B，说明返回的安全间隔入侵区间不在[B,T]范围内，判断垂直方向在[B,T]内不会发生安全间隔入侵事件，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[T,B]；否则取[t_{in_ver},t_{out_ver}]和[B,T]的交集作为垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值，该值即为垂直方向安全间隔入侵时间区间；

水平方向穿入、穿出冲突危险区域预判逻辑单元，获取水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]，包括：

输入所述大型无人机和目标航空器某时刻的水平相对位置s_hri、水平相对速度v_hri、本机参数配置模块配置的水平方向安全间隔距离阈值DMOD和时间阈值TAUMOD，以及需探测时间范围；

若水平相对速度v_hri为0，且水平相对位置距离‖s_hri‖小于或等于水平方向安全间隔距离阈值DMOD，则判断所述大型无人机在需探测时间范围内均处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[0,T]；

若水平相对速度v_hri不为0，且水平相对位置距离‖s_hri‖小于或等于水平方向安全间隔距离阈值DMOD，则判断所述大型无人机在需探测时间范围和水平方向安全间隔穿出时间θ两者的较小值内处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[0，min(T,θ)]]，其中，

v_hri^⊥为与该水平相对速度v_hri垂直的矢量；

若水平相对位置距离‖s_hri‖大于水平方向安全间隔阈值DMOD，且水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}无解，则判断所述大型无人机在需探测时间范围内不会处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[T,0]，其中，

其中，a＝v_hri²，b＝2(s_hri·v_hri)+TAUMOD·v_hri²，

c＝s_hri²+TAUMOD(s_hri·v_hri)-DMOD²；

若水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}小于需探测时间范围，则返回水平方向安全间隔入侵时间区间[max(0,t_{in_ver}),min(T,θ)]；若水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}大于或等于需探测时间范围，则在需探测时间范围内不会处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[T,0]。