基于速度或航向调配的无人机多机动态冲突解脱方法与流程

本发明涉及无人机，尤其涉及一种基于速度或航向调配的无人机多机动态冲突解脱方法。

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、现有技术中，多机动态冲突解脱大多采用基于机器学习的避障方法，但该类方法在飞行场景发生改变时，避障准确性降低，需要对模型进行重新训练，模型离线学习训练的耗时较长且不易收敛，代价相对较高。

3、现有技术中，基于速度障碍法的避障方法在单机冲突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是否存在飞行冲突。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低，实时性好，并且避障准确性较高。但是，现有的基于速度障碍法的避障方法大多用于解决单机冲突问题，关于多机冲突问题的研究较少，具体来说，现有的基于速度障碍法的避障方法中侧重于求解无人机避障的最优速度或最优航向，而未给出无人机如何规划能够同时躲避多个飞行器的速度或航向调配参数的具体策略。

4、此外，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，使无人机无法继续执行任务。

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基于速度或航向调配的无人机多机动态冲突解脱方法，用于解决现有的基于速度障碍法的避障方法不能使无人机实现多机动态冲突解脱的技术问题，以及解脱计算时未考虑到无人机的机动性约束导致避障安全性差的技术问题。

2、一方面，本发明实施例提供一种基于速度调配的无人机多机动态冲突解脱方法，所述方法包括：

3、无人机执行飞行任务时，基于速度障碍法检测当前空域中是否有与无人机存在潜在碰撞风险的潜在碰撞飞行器；

4、若检测到有多个潜在碰撞飞行器，则对于每个潜在碰撞飞行器分别基于无人机的机动性参数进行单机冲突解脱计算，以获取无人机对于每个潜在碰撞飞行器能够解脱成功的调速方式以及对应的调配参数；所述机动性参数包括最大纵向加速度、最小纵向速度和最大纵向速度；所述调速方式包括加速方式和减速方式；所述调配参数包括避障飞行距离和速度调整量；

5、比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果，根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式作为多机冲突解脱的调速方式，然后根据取大原则从所述多机冲突解脱的调速方式对应的调配参数中获取实际的调配参数；

6、无人机按照所获取的多机冲突解脱的调速方式和实际的速度调整量以所述最大纵向加速度将其速度调整至避障飞行速度，然后无人机以避障速度匀速飞行，直至无人机的飞行距离达到实际的避障飞行距离，从而实现多机动态冲突解脱。

7、基于上述方法的进一步改进，所述基于无人机的机动性参数进行单机冲突解脱计算的方法如下：

8、定义无人机的初始位置为a，初始速度为va_0；目标飞行器的初始位置为o，安全圆半径为r，飞行速度为v0；无人机与目标飞行器之间的初始距离为lao；

9、根据无人机与目标飞行器的相对速度矢量和目标飞行器的安全圆，确定加速方式对应的解脱点位置b和减速方式对应的解脱点位置c；

10、根据如下公式计算加速方式和减速方式对应的无人机的避障飞行距离lad和达到避障飞行距离lad所需要的避障飞行时间ttotal：

11、||va_1||＝||-v0||·(sinα/sinβ)；

12、||vr_1||＝||-v0||·(sin(α+β)/sinβ)；

13、

14、ttotal＝lad/||va_1||；

15、式中，为无人机避开目标飞行器的相对速度矢量，加速模式中减速模式中，α为-v0与之间的夹角；va_1为假定无人机能够瞬间变速时对应的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；

16、根据所述无人机的避障飞行距离lad、所述避障飞行时间ttotal和无人机的机动性参数分别判断无人机通过加速方式或减速方式是否能解脱成功，公式为：

17、

18、

19、

20、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；a为无人机的加速度，加速方式中a＝amax，减速方式中a＝-amax；

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

22、若能够解脱成功，则根据避障飞行距离lad、所述避障飞行时间ttotal计算无人机的速度调整量δva_1、无人机加速至避障速度va_0+δva_1所需要的时间t1和无人机以避障飞行速度va_0+δva_1匀速飞行的时间t2，公式为：

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

24、δva_1＝a·t1；

25、t2＝ttotal-t1。

26、基于上述方法的进一步改进，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种调速方式作为多机冲突解脱的调速方式，包括：

27、比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果后，若只有一种调速方式能够使无人机与所有的潜在碰撞飞行器解脱成功，则选择该调速方式作为多机冲突解脱的调速方式；

28、比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果后，若两种调速方式均能够使无人机与所有的潜在碰撞飞行器解脱成功，则根据无人机和潜在飞行器的相对速度矢量与该潜在碰撞飞行器安全圆的相对位置判断无人机对于该潜在碰撞飞行器的更安全的调速方式，并将其作为优选调速方式；

29、比较无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式，根据一致性原则和安全性原则从所述优选调速方式中选择一种调速方式作为多机冲突解脱的调速方式。基于上述方法的进一步改进，所述比较无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式，根据一致性原则和安全性原则从所述优选调速方式中选择一种调速方式作为多机冲突解脱的调速方式，包括：

30、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式一致，则选择所述优选调速方式作为多机冲突解脱的调速方式；

31、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式不一致，则比较两种调速方式对应的最长的避障飞行时间，根据安全性原则选取其中的较小值对应的调速方式作为多机冲突解脱的调速方式。

32、基于上述方法的进一步改进，所述比较无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式，根据一致性原则和安全性原则从所述优选调速方式中选择一种调速方式作为多机冲突解脱的调速方式，包括：

33、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式一致，则选择所述优选调速方式作为多机冲突解脱的调速方式；

34、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选调速方式不一致，则对于每个潜在碰撞飞行器，分别计算无人机基于加速方式和减速方式进行避障飞行过程中在预设时刻与该潜在碰撞飞行器之间的距离，并将其作为危险距离；所述预设时刻为无人机与该潜在碰撞飞行器的相对速度矢量指向该潜在碰撞飞行器的中心点的时刻；

35、比较加速方式对应的无人机与各潜在碰撞飞行器的危险距离，选取其中的最小值作为加速方式的最小危险距离；比较减速方式对应的无人机与各潜在碰撞飞行器的危险距离，选取其中的最小值作为减速方式的最小危险距离；

36、比较所述加速方式的最小危险距离和所述减速方式的最小危险距离，基于安全性原则选择其中的较大值对应的调速方式作为多机冲突解脱的调速方式。

37、另一方面，本发明实施例提供一种基于航向调配的无人机多机动态冲突解脱方法，所述方法包括：

38、无人机执行飞行任务时，基于速度障碍法检测当前空域中是否有与无人机存在潜在碰撞风险的潜在碰撞飞行器；

39、若检测到有多个潜在碰撞飞行器，则对于每个潜在碰撞飞行器分别基于无人机的机动性参数进行单机冲突解脱计算，以获取无人机对于每个潜在碰撞飞行器能够解脱成功的旋转方向以及对应的调配参数；所述机动性参数包括最大角速度；所述旋转方向包括逆时针方向和顺时针方向；所述调配参数包括避障飞行距离和旋转角度；

40、比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果，根据一致性原则和安全性原则选择一种旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向，然后根据取大原则从所述多机冲突解脱的旋转方向对应的调配参数中获取实际的调配参数；

41、无人机按照所获取的多机冲突解脱的旋转方向和实际的旋转角度以所述最大角速度调整其航向，并保持初始速度匀速飞行，直至无人机的飞行距离达到实际的避障飞行距离，从而实现多机动态冲突解脱。

42、基于上述方法的进一步改进，所述基于无人机的机动性参数进行单机冲突解脱计算的方法如下：

43、定义无人机的初始位置为a，初始速度为va_0；目标飞行器的初始位置为o，安全圆半径为r，飞行速度为v0；无人机与目标飞行器之间的初始距离为lao；

44、根据无人机与目标飞行器的相对速度矢量和目标飞行器的安全圆，确定逆时针方向对应的解脱点位置b'和顺时针方向对应的解脱点位置c'；

45、根据如下公式计算逆时针方向和顺时针方向对应的无人机的旋转角度θ、避障飞行距离lad和达到避障飞行距离lad所需要的避障飞行时间t'total，公式为：

46、||va_2||/sinα＝||-v0||/sinδ；

47、||va_2||＝||va_0||；

48、vr_2＝va_2-v0；

49、δ＝arcsin(||-v0||·sinα/||va_2||)；

50、θ＝δ-β；

51、

52、lad＝||va_0||·t'total；

53、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；无人机避开潜在飞行器的相对速度矢量，逆时针旋转时顺时针旋转时，α为-v0与之间的夹角；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；无人机逆时针旋转时，0＜θ＜90°；无人机顺时针旋转时，-90°＜θ＜0；

54、获取无人机的旋转角度θ和无人机的避障飞行时间t'total后，根据无人机的最大角速度ω判断无人机按照逆时针方向或顺时针方向旋转是否能够解脱成功，

55、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。

56、基于上述方法的进一步改进，所述根据一致性原则和安全性原则选择一种旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向，包括：

57、比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果后，若只有一种旋转方向能够使无人机与所有的潜在碰撞飞行器解脱成功，则选择该旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向；

58、比较所有的潜在碰撞飞行器获得的单机冲突解脱计算结果后，若两种旋转方向均能够使无人机与所有的潜在碰撞飞行器解脱成功，则根据无人机和潜在飞行器的相对速度矢量与该潜在碰撞飞行器安全圆的相对位置判断无人机对于该潜在碰撞飞行器的更安全的旋转方向，并将其作为优选旋转方向；

59、比较无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选旋转方向，根据一致性原则和安全性原则从所述优选旋转方向中选择一种旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向。基于上述方法的进一步改进，所述比较无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选旋转方向，根据一致性原则和安全性原则从所述优选旋转方向中选择一种旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向，包括：

60、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选旋转方向一致，则选择所述优选旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向；

61、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选旋转方向不一致，则比较两种旋转方向对应的最长的避障飞行时间，根据安全性原则选取其中的较小值对应的旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向。

62、基于上述方法的进一步改进，所述比较无人机对于各潜在碰撞飞行的优选旋转方向，根据一致性原则和安全性原则从所述优选旋转方向中选择一种旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向，包括：

63、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选旋转方向一致，则选择所述优选旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向；

64、若无人机对于各潜在碰撞飞行器的优选旋转方向不一致，则对于每个潜在碰撞飞行器，分别计算无人机基于逆时针方向和顺时针方向进行避障飞行过程中在预设时刻与该潜在碰撞飞行器之间的距离，并将其作为危险距离；所述预设时刻为无人机与该潜在碰撞飞行器的相对速度矢量指向该潜在碰撞飞行器的中心点的时刻；

65、比较逆时针方向对应的无人机与各潜在碰撞飞行器的危险距离，选取其中的最小值作为逆时针方向的最小危险距离；比较顺时针方向对应的无人机与各潜在碰撞飞行器的危险距离，选取其中的最小值作为顺时针方向的最小危险距离；

66、比较所述逆时针方向的最小危险距离和所述顺时针方向的最小危险距离，根据安全性原则选择其中的较大值对应的旋转方向作为多机冲突解脱的旋转方向。

67、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

68、1、本发明提供了一种基于速度调配的无人机多机动态冲突解脱方法和一种基于航向调配的无人机动态冲突解脱方法，用于解决多机动态冲突问题，通过对无人机的速度或航向以及避障飞行距离进行规划，使无人机能够同时躲避多个飞行器，数学模型简单，计算快速，满足避障实时性要求。

69、具体来说，当无人机与多个飞行之间存在潜在碰撞风险时，首先分别对于每个潜在碰撞飞行器进行单机冲突解脱计算，并且在获取单机冲突计算结果中包括所有能够实现冲突解脱的调速方式或旋转方向以及相应的调配参数，然后比较所有的潜在碰撞飞行器的单机冲突解脱计算结果，从而选出能够适用于所有的潜在飞行器并且最优的解脱规划结果，实现多机动态冲突解脱。

70、2、本发明中，进行单机冲突解脱计算时，充分考虑了无人机的机动性参数，具体来说，基于速度调配的方法中，充分考虑了最大纵向加速度、最小纵向速度和最大纵向速度等机动性参数，能够精确的计算出无人机实现冲突解脱的速度调配参数；本发明的基于速度调配的无人机多机动态冲突解脱方法中，进行单机冲突解脱计算时，充分考虑了最大角速度等机动性参数，能够精确计算出无人机实现冲突解脱的航向调配参数，使规划出的解脱方案贴近实际飞行情况，从而提高了无人机在实际飞行中的避撞安全性和稳定性。

71、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。