一种无人机动态冲突检测与解脱方法和系统与流程

本发明涉及无人机，尤其涉及一种无人机动态冲突检测与解脱方法和系统。

背景技术：

1、随着无人机系统在工业、农业、军事等多个领域的广泛应用，无人机飞出“隔离空域”并与有人机共享空域执行多样化任务已成为当前的趋势。当前制约无人机全域飞行的关键技术为可靠的飞行冲突解脱能力。与有人机主要靠空中交通管理、空中防撞系统等飞行冲突解脱方式不同，无人机因指令操作延迟时间长、载荷相对较小、动力学模型较为复杂、面临的威胁不确定性高等特点，冲突解脱技术与有人机有较大不同。为确保避障性能的可靠性，应尽量避免无人机状态的连续改变，在最少机动的基础上实现避撞与执行任务功能，便于操作，保证飞行安全。

2、现有的无人机避障方法中，人工势场法的优势在于应答时间短、计算量小，具有实时避障功能，但是通常不能准确到达目标。智能算法等启发式算法，可以用来解决无人机路径规划问题，并实现其避障功能，但这类算法计算复杂度较高，不能满足无人机实时控制的要求。概率图算法需要进行持续计算，实时性较差，不具有实时避撞能力。

3、基于速度障碍法的避障方法，在无人机系统自主避撞领域取得了不错的效果。速度障碍法通过两者的相对速度来计算运动过程的相互间的最近距离以判断无人机与障碍物之间存在飞行冲突。基于速度障碍法的避障方法，在判断存在潜在冲突后，一般通过航向调配或速度调配进行解脱。该方法的计算复杂度较低，且实时性较好，但仍存在一些问题未解决。具体来说，现有的基于速度障碍法的避障方法中，未考虑到无人机实际的机动性约束，即没有考虑到无人机的速度和航向调整是一个渐变过程，具体的例如无人机的速度不可能马上从10m/s跃升到20m/s，导致无人机实际无法到达规划的解脱点位置，对解脱效果产生不可预测的风险，避障安全性差，从而无法继续执行任务。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种无人机动态冲突检测与解脱方法和系统，用以解决现有的基于速度障碍法的避障方法未考虑到无人机实际的机动性约束导致避障安全性差的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种无人机动态冲突检测与解脱方法，所述方法包括：

3、基于速度障碍法判断无人机与目标飞行器之间是否存在潜在的碰撞风险；

4、若存在潜在的碰撞风险，则选择避障模式，并基于所选择的避障模式，根据当前无人机和目标飞行器的速度和位置信息以及无人机的机动性参数计算无人机的速度和/或航向的调整参数；所述避障模式包括速度调配避障模式、航向调配避障模式以及速度和航向混合调配避障模式；无人机的机动性参数包括最大纵向加速度、最大角速度、最小纵向速度和最大纵向速度；

5、根据所述调整参数调整无人机的飞行速度和/或航向，以实现冲突解脱。

6、基于所述方法的进一步改进，优先选择所述速度调配避障模式，当经过计算采用所述速度调配避障模式不能解脱成功时，则基于最少机动原则选择所述航向调配避障模式，当经过计算所述航向调配避障模式不能解脱成功时，则选择所述速度和航向混合调配避障模式；或者，

7、优先选择所述速度调配避障模式，当经过计算采用所述速度调配避障模式不能解脱成功时，则基于解脱代价最小原则选择所述速度和航向混合调配避障模式。

8、基于所述方法的进一步改进，所述速度调配避障模式为：无人机从初始速度va_0以加速度a飞行t1时间，之后无人机以速度va_0+at1匀速飞行t2时间，从而到达解脱点；

9、a＝amax，或者a＝-amax，amax为无人机的最大纵向加速度；

10、其中，根据无人机和目标飞行器的相对速度矢量与目标飞行器安全圆的相对位置选择无人机的加速度方向。

11、基于所述方法的进一步改进，采用如下方法获取所述速度调配避障模式中的t1和t2：

12、定义无人机的位置为a，解脱点的位置为f；目标飞行器的位置为o，安全圆半径为r，飞行速度为v0；

13、基于所选择的无人机的加速度方向和目标飞行器的安全圆确定解脱点的位置f，并获取无人机避开目标飞行器安全圆的临界相对速度矢量方向

14、根据无人机避开目标飞行器安全圆的临界相对速度矢量方向确定无人机到达解脱点所需的避障飞行距离lad和避障飞行时间ttotal，公式为：

15、||va_1||＝||-v0||·(sinα/sinβ)；

16、||vr_1||＝||-v0||·(sin(α+β)/sinβ)；

17、

18、ttotal＝lad/||va_1||；

19、式中，α为-v0与之间的夹角；va_1为假定无人机能够瞬间调整速度时其能够实现冲突解脱的速度，va_1与va_0的方向相同；β为va_1与之间的夹角；vr_1为va_1与v0的相对速度矢量，vr_1＝va_1-v0；lao为当前无人机与目标飞行器之间的距离；根据所述避障飞行距离lad、所述避障飞行时间ttotal和无人机的机动性参数判断无人机是否能解脱成功，公式为：

20、

21、

22、

23、式中，va_max和va_min分别为无人机的最大纵向速度和最小纵向速度，va_max＞va_min＞0；va_limit为无人机的速度限值；lmax无人机实际可飞行的最大距离；tmin为无人机达到速度限值所需的最小时间；

24、若lmax＜lad，则不能够解脱成功；若lmax≥lad，则能够解脱成功；

25、若能够解脱成功，则根据所述避障飞行距离lad和所述避障飞行时间ttotal计算无人机以加速度a飞行的时间t1和匀速飞行的时间t2，公式为：

26、lad＝va_0·t1+(a·t12)/2+(va_0+a·t1)·(ttotal-t1)；

27、t2＝ttotal-t1。

28、基于所述方法的进一步改进，所述航向调配避障模式为：无人机以角速度ω旋转角度θ，并以初始速度va_0飞行tt'otal时间，从而达到解脱点；

29、无人机逆时针旋转时，0＜θ＜90°；无人机顺时针旋转时，-90°＜θ＜0；

30、其中，根据无人机和目标飞行器的相对速度矢量与目标飞行器安全圆的相对位置选择无人机的旋转方向。

31、基于所述方法的进一步改进，采用如下方法计算所述航向调配避障模式中的旋转角度θ：

32、定义无人机的位置为a，解脱点的位置为f；目标飞行器的位置为o，安全圆半径为r，飞行速度为v0；

33、基于所选择的无人机的旋转方向和目标飞行器的安全圆确定解脱点的位置f，并获取无人机避开目标飞行器安全圆的临界相对速度矢量方向

34、根据无人机避开目标飞行器安全圆的临界相对速度矢量方向获取无人机的旋转角度θ和避障飞行时间t′total，公式为：

35、||va_2||/sinα＝||-v0||/sinδ；

36、||va_2||＝||va_0||；

37、vr_2＝va_2-v0；

38、δ＝arcsin(||-v0||·sinα/||va_2||)；

39、θ＝δ-β；

40、

41、式中，va_2为无人机旋转角度θ后的速度矢量；vr_2为无人机旋转角度θ后与目标飞行器的相对速度矢量；β为速度矢量va_0与矢量的夹角；δ为速度矢量va_2与vr_2的夹角；lao为当前无人机与目标飞行器之间的距离；

42、获取无人机的旋转角度θ和无人机的避障飞行时间tt'otal后，根据无人机的最大角速度ω判断无人机采用航向调配避障模式是否能够解脱成功，

43、若θ≤ω·t′total，则无人机能够解脱成功，若θ＞ω·t′total，则无人机不能解脱成功。

44、基于所述方法的进一步改进，所述速度和航向混合调配避障模式为：无人机以最大角速度ω旋转角度θm，同时无人机从初始速度va_0以加速度a飞行t1'时间，之后无人机以速度va_0+at1'匀速飞行t′2时间，从而到达解脱点；

45、a＝amax或者a＝-amax，amax为无人机的最大纵向加速度；

46、无人机逆时针旋转时，0＜θm＜90°；无人机顺时针旋转时，-90°＜θm＜0；

47、其中，根据无人机和目标飞行器的相对速度矢量与目标飞行器安全圆的相对位置选择无人机的加速度方向和旋转方向。

48、基于所述方法的进一步改进，采用如下方法获取所述速度和航向混合调配避障模式的θm、t1'和t′2：

49、定义无人机的位置为a，解脱点的位置为f；目标飞行器的位置为o，安全圆半径为r，飞行速度为v0；

50、基于所选择的无人机的加速度方向和旋转方向以及目标飞行器的安全圆确定解脱点的位置f，并获取无人机避开目标飞行器安全圆的临界相对速度矢量方向

51、根据无人机避开目标飞行器安全圆的临界相对速度矢量方向确定无人机到达解脱点所需的避障飞行时间t″total、无人机的旋转角度θm、以加速度a飞行的时间t1'、匀速飞行的时间t′2，公式为：

52、||va_3||＝||-v0||·(sinα/sin(θm+β))；

53、||vr_3||＝||-v0||·(sin(θm+β+α)/sin(θm+β))；

54、

55、

56、

57、

58、

59、

60、lad＝va_0·t1+(a·t1')/2+(va_0+a·t1)·(t″total-t1')；

61、t′2＝t″total-t1'；

62、式中，va_3为无人机旋转角度θm后的速度矢量；vr_3为无人机旋转角度θm后与目标飞行器的相对速度矢量；α为-v0与之间的夹角；β为va_0与之间的夹角；lad为无人机的避障飞行距离；va_max和va_min分别为无人机的最大纵向速度和最小纵向速度，va_max＞va_min＞0；va_limit为无人机的速度限值；l'max为无人机实际可飞行的最大距离；tmin为无人机达到速度限值所需的最小时间；lao为当前无人机与目标飞行器之间的距离。

63、基于上述方法的进一步改进，所述基于速度障碍法判断无人机与目标飞行器之间是否存在潜在的碰撞风险，包括如下步骤：

64、判断无人机与目标飞行器之间的高度差hs是否超过高度差阈值h0，三维距离d3d是否超过距离阈值d0；

65、若hs≤h0且d3d≤d0，则判断目标飞行器的中心点与无人机和目标飞行器的速度矢量差vr之间的距离dl是否超过目标飞行器的安全圆半径r；

66、若dl≤r，则判定无人机与目标飞行器之间存在潜在的碰撞风险。

67、另一方面，本发明实施例提供一种无人机动态冲突检测与解脱系统，所述系统包括：

68、动态冲突检测模块，基于速度障碍法判断无人机与目标飞行器之间是否存在潜在的碰撞风险；

69、解脱规划模块，若存在潜在的碰撞风险，则选择避障模式，并基于所选择的避障模式，根据当前无人机和目标飞行器的速度和位置信息以及无人机的机动性参数计算无人机的速度和/或航向的调整参数；所述避障模式包括速度调配避障模式、航向调配避障模式以及速度和航向混合调配避障模式；无人机的机动性参数包括纵向加速度、最大角速度、最小纵向速度和最大纵向速度；以及

70、解脱控制模块，根据所述航迹规划模块计算出的调整参数调整无人机的飞行速度和/或航向，以实现冲突解脱。

71、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

72、1、本发明中，在进行解脱规划时，充分考虑无人机的最大纵向加速度、最大角速度、最小纵向速度和最大纵向速度等无人机的机动性参数，能够精确解算出无人机实现冲突解脱的速度和/或航向的调整参数，贴近实际飞行情况，从而提高了无人机在实际飞行中的避撞安全性和稳定性。

73、2、本发明中，速度调配避障模式和航向调配避障模式，仅通过调整无人机的一个参数(速度或航向)进行避障，从而在冲突解脱后能够更加快速且容易的实现航迹恢复。

74、3、本发明中，在速度调配避障模式或航向避障模式无法实现冲突解脱时，可以采用速度和航向混合调配避障模式进行解脱规划，能够从而能够更好的处理单机冲突。具体来说，速度和航向混合调配解脱模式的解脱规划中，使无人机旋转一个所需的最小角度后，无人机将速度调整至最大纵向速度或最小纵向速度飞行至解脱点位置，从而通过最小的航迹改变实现冲突解脱，减小了解脱代价。

75、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。