一种无人机动态紧急避撞区的建模方法

摘要

本发明公开了一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，可用于无人机遭遇入侵机时紧急避撞区包络的构建。首先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，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。本发明提供的方法利用实时获取的入侵机飞行信息，动态建立无人机紧急避撞区。该方法可以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；并且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，同时具有较好的实时性。

主权项

1.一种无人机动态紧急避撞区的建模方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：根据无人机的机载感知设备获取入侵机的飞行信息，并通过冲突检测方法判断无人机与入侵机是否存在飞行冲突；无人机的机载感知设备获取无人机的飞行速度V₀、入侵机的飞行速度V₁、无人机与入侵机的相对速度V_r，则实际飞行情况等效为无人机静止不动，入侵机以V_r飞行，间隔单位时间内，进行两次测量，获取第一次测量时，无人机与入侵机的相对距离R₁、相对方位角θ₁，相对方位角θ₁为R₁与V₀之间的夹角，然后，单位时间间隔后，获取第二次测量时，无人机与入侵机的相对距离R₂、相对方位角θ₂，相对方位角θ₂为R₂与V₀之间的夹角，通过几何关系推导可得，当无人机与入侵机到达最接近点处时，水平相对距离为：$D_{\min }=\frac{R_1{R}_2\sin ({\theta }_1-{\theta }_2)}{\sqrt{{R_1}^2+{R_2}^2-2R_1{R}_2\cos ({\theta }_1-{\theta }_2)}}---\left(1\right)$设定无人机的最小安全距离D_limit，如果D_min小于飞机间最小安全距离D_limit，则无人机与入侵机间存在飞行冲突，进入步骤二；步骤二：如果判定无人机与入侵机之间存在飞行冲突，根据入侵机的飞行航向确定无人机紧急避撞的机动方式；①当无人机与入侵机迎面遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞任务；②当无人机与入侵机追尾遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞任务；③当无人机与入侵机正侧向遭遇且入侵机在无人机右侧或者左侧，无人机采取以最大转弯角速率r左转机动或者右转机动完成紧急避撞任务；步骤三：建立无人机动态紧急避撞区模型方程；根据步骤二得到的三种不同情形下的紧急避撞机动方式，分别建立无人机动态紧急避撞区模型方程：①当无人机与入侵机迎面遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为：$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Delta x}=D\cos \theta -V_{1}t-\frac{V_0}{r}\sin (r*t)\\ \mathrm{\Delta y}=D\sin \theta +\frac{V_0}{r}-\frac{V_0}{r}\cos (r*t)\\ D[V_0\sin \theta \sin \left(\mathrm{rt}\right)-V_0\cos \theta \cos \left(\mathrm{rt}\right)-V_1\cos \theta ]\\ +\frac{{V_0}^2}{r}\sin \left(\mathrm{rt}\right)+{V_1}^{2}t+\frac{V_0}{r}{V}_1\sin \left(\mathrm{rt}\right)+V_0{V}_{1}t\cos \left(\mathrm{rt}\right)=0\\ {\left(\mathrm{\Delta x}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Delta y}\right)}^2-{D_{\mathrm{limit}}}^2=0\end{array}\right.---\left(3\right)$其中：Δx为无人机与入侵机前向相对距离，Δy为无人机与入侵机侧向相对距离，V₀、V₁分别为无人机、入侵机的飞行速度，θ为紧急避撞机动开始时，入侵机与无人机的相对方位角；D为紧急避撞机动开始时，无人机与入侵机的相对距离，即为紧急避撞区的边界值；r表示无人机转弯角速率；t表示紧急避撞机动需要的时间；h(t)为紧急避撞机动开始t时间后，无人机与入侵机的相对距离，引入约束条件，当h'(t)＝0时刻，h(t)刚好等于无人机与入侵机的最小安全距离D_limit；通过求解模型方程（3），获得到达最小安全距离时刻t以及入侵机与无人机相对方位角为θ入侵时，紧急避撞区的边界值D；②当无人机与入侵机追尾遭遇且入侵机在无人机左侧或者右侧，无人机采取以最大转弯角速率r右转机动或者左转机动完成紧急避撞机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为：重复上述①的过程，得到紧急避撞区的模型方程：$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Delta x}=D\cos \theta -V_{1}t-\frac{V_0}{r}\sin (r*t)\\ \mathrm{\Delta y}=D\sin \theta +\frac{V_0}{r}-\frac{V_0}{r}\cos (r*t)\\ D[V_0\sin \theta \sin \left(\mathrm{rt}\right)+V_0\cos \theta \cos \left(\mathrm{rt}\right)-V_1\cos \theta ]\\ +\frac{{V_0}^2}{r}\sin \left(\mathrm{rt}\right)+{V_1}^{2}t-\frac{V_0{V}_1}{r}\sin \left(\mathrm{rt}\right)-V_0{V}_{1}t\cos \left(\mathrm{rt}\right)=0\\ {\left(\mathrm{\Delta x}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Delta y}\right)}^2-{D_{\mathrm{limit}}}^2=0\end{array}\right.---\left(4\right)$通过求解模型方程（4），得到到达最小安全距离时刻t以及入侵机与无人机相对方位角为θ入侵时，紧急避撞区的边界值D；③当无人机与入侵机正侧向遭遇且入侵机在无人机右侧或者左侧，无人机采取以最大转弯角速率r左转机动或者右转机动完成紧急避撞机动，建立无人机动态紧急避撞区模型方程，具体为：重复上述①的过程，得到紧急避撞区的模型方程：$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Delta x}=D\cos \theta -\frac{V_0}{r}\sin (r*t)\\ \mathrm{\Delta y}=D\sin \theta -V_{1}t+\frac{V_0}{r}-\frac{V_0}{r}\cos (r*t)\\ D[V_0\cos \theta \cos \left(\mathrm{rt}\right)-V_0\sin \theta \sin \left(\mathrm{rt}\right)-V_1\sin \theta ]\\ -\frac{{V_0}^2}{r}\sin \left(\mathrm{rt}\right)+{V_1}^{2}t+\frac{V_0}{r}{V}_1\cos \left(\mathrm{rt}\right)+V_0{V}_{1}t\sin \left(\mathrm{rt}\right)+\frac{V_0{V}_1}{r}=0\\ {\left(\mathrm{\Delta x}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Delta y}\right)}^2-{D_{\mathrm{limit}}}^2=0\end{array}\right.---\left(5\right)$通过求解模型方程（5），得到到达最小安全距离时刻t以及入侵机与无人机相对方位角为θ入侵时，紧急避撞区的边界值D；步骤四：对步骤三获取的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；通过步骤三得到了无人机紧急避撞区模型方程，采用解非线性方程组方法，求取紧急避撞区的边界值D以及避撞过程所需时间t；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，得到无人机紧急避撞区完整包络；如果入侵机飞临紧急避撞区边界，则采取紧急避撞机动完成避撞任务。