基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法及系统

本发明涉及空中交通管制，特别涉及一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法及系统。

背景技术：

1、随着全球民航业的迅猛发展，飞行量和飞行密度不断上升，导致空中交通状况日益复杂。特别是在主要航线和繁忙机场周围，航空器的间隔显著缩小，形成了密集的空中交通集群。这种现象在高峰时段尤为明显，航空器因紧密排列而使飞行状态和路径高度相似，这不仅给航班调度带来了挑战，也极大增加了空中碰撞的风险。因此，针对这些集群的航迹规划和冲突解决，成为了空中交通管理的重点问题。

2、目前应对这一问题的常用航迹规划算法各有优缺点。人工势场法虽简单直观，但在确保路径稳定性和可飞性方面表现不佳。导引法虽借鉴了导弹制导技术，但在处理多障碍物环境下的效果有限。而基于机器学习的避障规划算法，尽管在理论上有效，但在实际应用中需要大量的计算资源和时间资源，继而限制了其在快节奏航空环境中的应用。动态窗口法考虑了实时环境因素，但其性能在很大程度上依赖于局部感知数据的准确性。传统的速度障碍法能够较好地适应动态变化的环境，但其在处理复杂场景时的计算复杂度较高，难以满足实时性的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法及系统，以提高解脱效率，为空中交通管制更合理制定提供技术支持。

2、为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

3、一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，包括以下步骤：

4、s10，采集获得空域中各个航空器的型号及当前位姿信息，所述位姿信息包括位置、速度和航向；

5、s20，将满足聚类条件的所有航空器划分为同一个航空器集群；

6、s30，构建集群椭圆，获得航空器集群的动态椭圆保护区范围；

7、s40，基于集群椭圆建立速度障碍锥；

8、s50，基于速度障碍锥确定解脱速度和解脱航向。

9、传统的速度障碍法是以单个航空器建立椭圆并寻求解脱速度和航向，本发明上述方法先以聚类条件建立集群，再以集群为单位建立椭圆并寻求解脱速度和航向，继而可以大大降低运算复杂度，提高解脱效率。

10、所述聚类条件为：型号相同且航向夹角小于第一阈值、速度差小于第二阈值、距离间隔小于第三阈值。

11、不同型号航空器的速度差异较大，在聚类时要求型号相同，可以提高安全性，航向夹角小于第一阈值、速度差小于第二阈值，可以有效保障集群中的航空器短时间内不发生冲突。

12、s30中，以航空器集群中的所有航空器坐标均值作为集群质心pni＝(xni,yni)，以集群质心为圆心，质心坐标通过如下公式计算得到：

13、其中，(xi，yi)为航空器i的位置坐标，航空器i的速度矢量，n为航空器集群中航空器的数量，n为大于1的整数。

14、上述方案中，以航空器集群中的所有航空器坐标均值作为集群质心，以质心作为集群椭圆的圆心，可以简化集群椭圆的构画难度。

15、另一方面，本发明同时提供了一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱系统，包括：

16、信息采集模块，用于采集获得空域中各个航空器的型号及当前位姿信息，所述位姿信息包括位置、速度和航向；

17、集群划分模块，用于将满足聚类条件的所有航空器划分为同一个航空器集群；

18、椭圆构建模块，用于构建集群椭圆，获得航空器集群的动态椭圆保护区范围；

19、障碍锥建立模块，用于基于集群椭圆建立速度障碍锥；

20、解脱策略确定模块，用于基于速度障碍锥确定解脱速度和解脱航向。

21、与现有技术相比，本发明通过将动态椭圆保护区的概念与航空器集群理念结合起来，不仅能提高航空器在空中的安全性，还能有效提升航迹规划的效率和准确性。

22、本发明所具有的其他技术优势在后文实施例中进行相应阐述。

技术特征：

1.一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，所述聚类条件为：型号相同且航向夹角小于第一阈值、速度差小于第二阈值、距离间隔小于第三阈值。

3.根据权利要求1所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，s30中，以航空器集群中的所有航空器坐标均值作为集群质心pni＝(xni,yni)，以集群质心为圆心，质心坐标通过如下公式计算得到：

4.根据权利要求3所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，s30中，集群椭圆的长半轴ani和短半轴bni通过如下步骤得到：①将集群椭圆最小面积作为目标函数；②遍历每个椭圆上的点作为约束条件，即椭圆上每个点坐标代入集群椭圆公式满足小于等于1；③以质心为集群圆心，θni为集群椭圆与x轴夹角，生成包含所有椭圆且面积最小的集群椭圆，获取此时的ani和bni的值。

5.根据权利要求3所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，s40中，定义速度障碍锥与集群椭圆的两条切线分别为l3、l4，两条切线即为速度障碍锥的两条边界，两条切线通过以下步骤处理得到：

6.根据权利要求5所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，s50中，对于边界l3，求解解脱航向θ′时，不改变速度大小vi，向量与l3相交于g点，相对于pi＝(xi,yi)的水平分量和垂直分量为dxθ′和dyθ′，点g＝(xi+dxθ′,yi+dyθ′)带入y3方程，通过联立两个分量之间的关系方程解得θ′，计算公式为：

7.根据权利要求5所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法，其特征在于，s50中，对于边界l3，求解解脱速度v′i时，不改变航向θ，所在的直线与y3方程联立解得交点m＝(xm,ym)，通过m点相对于pi得到水平分量和垂直分量为dxv′和dyv′，解得v′i，计算公式为：

8.一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱系统，其特征在于，解脱策略确定模块中，对于对于速度障碍锥的边界l3，求解解脱航向θ′时，不改变速度大小vi，向量与l3相交于g点，相对于pi＝(xi,yi)的水平分量和垂直分量为dxθ′和dyθ′，点g＝(xi+dxθ′,yi+dyθ′)带入y3方程，通过联立两个分量之间的关系方程解得θ′，计算公式为：

10.根据权利要求8所述的基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱系统，其特征在于，解脱策略确定模块中，对于速度障碍锥的边界l3，求解解脱速度v′i时，不改变航向θ，所在的直线与y3方程联立解得交点m＝(xm,ym)，通过m点相对于pi得到水平分量和垂直分量为dxv′和dyv′，解得v′i，计算公式为：

技术总结本发明涉及一种基于改进速度障碍法的航空器冲突解脱方法及系统，该方法包括以下步骤：S10，采集获得空域中各个航空器的型号及当前位姿信息，所述位姿信息包括位置、速度和航向；S20，将满足聚类条件的所有航空器划分为同一个航空器集群；S30，构建集群椭圆，获得航空器集群的动态椭圆保护区范围；S40，基于集群椭圆建立速度障碍锥；S50，基于速度障碍锥确定解脱速度和解脱航向。本发明以聚类条件划分集群，以集群构建动态椭圆保护区，再基于集群椭圆建立速度障碍锥并求取解脱速度和航向，可以提高解脱效率。技术研发人员：韩珣,庾映雪,艾毅,李玥阳受保护的技术使用者：四川警察学院技术研发日：技术公布日：2024/5/29