一种双层结构的航空器动态碰撞保护方法及空间结构

本发明涉及航空器运行安全评估，具体涉及一种双层结构的航空器动态碰撞保护方法及空间结构。

背景技术：

1、近年来，随着无人机技术的进步和无人机产业的蓬勃发展，无人机的应用场景也在不断拓展，比如无人机环境监测、无人机抢险救灾以及城市无人机物流配送服务等等。因此，无人机所需要的空域也不在局限于近地表，这就导致了无人机进行有关操作时需要进入管制空域。在这种情况下，管制空域内飞行的无人机会对民用载人航空器的安全运行造成威胁，严重地可能会发生空中碰撞。如果不能通过恰当的途径降低无人机对民用载人航空器运行安全的影响，将增加航空运输风险。

2、目前在约束无人机管制空域运行的间隔、速度等因素方面还有待提高，因此对无人机运行进行碰撞风险评估是降低无人机对于民用载人航空器运行安全威胁最有效的方法。通过碰撞风险评估，可以为无人机管制间隔实际应用提供量化方法，从而判断无人机在管制空域飞行的安全性，保证载人航空器的安全运行。而目前主流的碰撞风险评估方法是构建基于碰撞保护体积的碰撞风险评估模型，该模型的核心内容便是构建碰撞保护体积。但目前构建碰撞保护体积的方法极少，且大多数为车辆提供，精确度较低，不便于应用于高速飞行的航空器，实用性差。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种实用性强、精确度高的双层结构的航空器动态碰撞保护方法及空间结构。

2、技术方案：本发明所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法包括：为航空器设计若干种防止与入侵物相撞的避让动作，根据避让动作计算避免所述航空器与入侵物碰撞的最小避撞距离；设置核心保护空间将航空器完全包裹，基于所述最小避撞距离确定核心保护空间的大小。

3、进一步的，所述避让动作包括减速、转弯、改变高度。

4、进一步的，当所述入侵物为入侵航空器时，所述航空器为被入侵航空器；相撞前，所述入侵航空器与被入侵航空器在同一航线，相对而行；入侵航空器速度为零，被入侵航空器速度为本身速度与入侵航空器速度之和。

5、进一步的，当所述被入侵航空器只采用一种避让动作时，有如下情况：

6、只减速时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

7、

8、只转弯时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

9、

10、只改变高度时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

11、

12、式中，l1为入侵航空器实体体积的长；w1为入侵航空器实体体积的宽；h1为入侵航空器实体体积的高；l2为被入侵航空器实体体积的长；w2为被入侵航空器实体体积的宽；h2为被入侵航空器实体体积的高；v为入侵航空器的和速度；amax为最大加速/减速加速度；rmin为最小转弯半径；λmax为最大上升/下降率；s1为只减速时的最小避撞距离；s2为只转弯时的最小避撞距离；s3为只改变高度时的最小避撞距离；为入侵航空器转弯避让时转弯角度随飞行时间的变化函数，t表示变化函数在极限情况下的固定时间，为入侵航空器在对应的避让动作组合下发生碰撞时的飞行时间，t由如下等式确定。

13、进一步的，当所述被入侵航空器采用两种避让动作时，有如下情况：

14、同时减速、转弯时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

15、

16、式中，v(t)＝v-amaxt，t为极限情况下碰撞所对应的飞行时间，t由等式确定，amax为最大加速度；

17、同时减速、改变高度时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

18、

19、同时转弯、改变高度时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

20、

21、式中，入侵航空器转弯角度t1通过等式来计算；s4为同时减速、转弯时的最小避撞距离；s5为同时减速、改变高度时的最小避撞距离；s6为同时转弯、改变高度时的最小避撞距离。

22、进一步的，当所述被入侵航空器同时采用三种避让动作时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

23、

24、式中，v(t)＝v-amaxt，t1通过等式来计算；s7为同时减速、转弯、改变高度时的最小避撞距离。

25、进一步的，将所述核心保护空间设为球体，入侵物进入所述核心保护空间时，必然与航空器相撞，球体的半径采用如下公式：

26、r1＝minsi

27、式中，r1为核心保护空间的半径；i＝1、2……n，n表示避让动作所有可能组合的数量。

28、进一步的，设置缓冲保护空间将所述核心保护空间完全包裹，基于所述航空器的运行误差确定缓冲保护空间的大小。

29、进一步的，将所述缓冲保护空间设为圆柱体，将航空器水平方向的位置误差作为圆柱体的底面半径，将垂直方向的高度误差作为圆柱体的高；入侵物进入所述缓冲保护空间时，可能与航空器相撞。

30、技术方案：本发明所述的双层结构的航空器动态碰撞保护结构包括缓冲保护体和核心保护体，所述航空器、核心保护体和缓冲保护体中心完全重合，并且形成向外依次逐层包围的结构，并且所述缓冲保护体用以形成所述缓冲保护空间，所述核心保护体用以形成所述核心保护空间。

31、有益效果：本发明具有如下显著效果：1、实用性强：本发明为航空器设置了双层结构的动态碰撞保护方法，其中，双层结构的其中一层为内层的核心保护空间，核心保护空间将航空器完全包裹在内，剩下一层为在核心保护空间外面设置的缓冲保护空间，缓冲保护空间将核心保护空间完全包裹在内，当入侵物进入核心保护空间内，必然会与航空器相撞；进入缓冲保护空间内，则不一定会与航空器相撞，此方法用于确定入侵物与本航空器相遇时，航空器是否安全以及相撞的概率，相应地，本发明还提出了双层结构的动态碰撞保护空间结构；2、精确度高：本发明根据相关的参数实时计算出核心保护空间和缓冲保护空间的大小，实时确定航空器的安全范围，同时考虑速度、高度、机动性能限制、运行误差，能够更准确地指示出航空器碰撞事件的发生程度，能够更精确地评估运行过程中的碰撞风险。

技术特征：

1.一种双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，所述保护方法包括：

2.根据权利要求1所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，所述避让动作包括减速、转弯、改变高度。

3.根据权利要求2所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，当所述入侵物为入侵航空器时，所述航空器为被入侵航空器；相撞前，所述入侵航空器与被入侵航空器在同一航线，相对而行；入侵航空器速度为零，被入侵航空器速度为本身速度与入侵航空器速度之和。

4.根据权利要求3所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，当所述被入侵航空器只采用一种避让动作时，有如下情况：

5.根据权利要求4所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，当所述被入侵航空器采用两种避让动作时，有如下情况：

6.根据权利要求5所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，当所述被入侵航空器同时采用三种避让动作时，所述最小避撞距离采用如下公式计算：

7.根据权利要求6所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，将所述核心保护空间设为球体，入侵物进入所述核心保护空间时，必然与航空器相撞，球体的半径采用如下公式：

8.根据权利要求1所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，设置缓冲保护空间将所述核心保护空间完全包裹，基于所述航空器的运行误差确定缓冲保护空间的大小。

9.根据权利要求8所述的双层结构的航空器动态碰撞保护方法，其特征在于，将所述缓冲保护空间设为圆柱体，将航空器水平方向的位置误差作为圆柱体的底面半径，将垂直方向的高度误差作为圆柱体的高；入侵物进入所述缓冲保护空间时，可能与航空器相撞。

10.一种实现权利要求8至9其中任一项双层结构的航空器动态碰撞保护方法的保护空间结构，其特征在于，所述保护空间结构包括缓冲保护体和核心保护体，所述航空器、核心保护体和缓冲保护体中心完全重合，并且形成向外依次逐层包围的结构，并且所述缓冲保护体用以形成所述缓冲保护空间，所述核心保护体用以形成所述核心保护空间。

技术总结本发明公开了一种双层结构的航空器动态碰撞保护方法及空间结构。其中，保护方法包括：为航空器设计若干种防止与入侵物相撞的避让动作，根据避让动作计算避免航空器与入侵物碰撞的最小避撞距离；设置核心保护空间将航空器完全包裹，基于最小避撞距离确定核心保护空间的大小。另外，设置缓冲保护空间将核心保护空间完全包裹，基于航空器的运行误差确定缓冲保护空间的大小。入侵物进入核心保护空间内，由于机动性能限制无法进行避让动作，则碰撞事件必然发生；侵入到缓冲保护空间内，由于运行误差的原因，碰撞事件将有概率发生。本发明具有实用性强、精确度高的特点。技术研发人员：王艳军,杨锦,梁其钊,王笑天受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15