[发明专利]一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法

权利要求书

1.一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，其特征在于：所述流量控制方法分为以下六个部分：S1无人机模型设计、S2机场航路图模型设计、S3航路规划方法设计、S4飞行延时策略、S5机场航路图更新方法设计、S6紧急降落；

S1无人机模型设计，无人机模型为质点模型，在无人机安全飞行时，可以将每一架无人机都视为一个质点，则无人机质点模型为：

Pu，i＝Vi

Vi＝-li(Vi-Vd，i)

其中li＞0，Pu，i表示第i架无人机的位置，Vi表示第i架无人机的速度，Vd，i表示第i架无人机的期望速度；

S2机场航路图模型设计，机场航路图模型采用图论模型，用无向图G＝(N，E)表示机场航路图模型，用N来表示机场所有节点，机场节点数量为，为正整数集，则图G节点可枚举表示为：

而E来表示机场所有航路，且机场航段数量为nE，则图G航段可枚举表示为：

任意航段都可以用其两侧节点表示为：

E(j)＝{N(j)s，N(j)}e∈E，N(j)s，N(j)e∈E

令机场航路图图论模型为G，则得到G中航路图步骤如下：

(1)获取所有机场节点坐标，设共有nN个节点(1＜nN∈Z₊)，编号为i的节点为N(i)，坐标为P_wp，i∈R³；

(2)获取G的邻接矩阵A，A为nN阶对称方阵，其值如下所示：

(3)以距离为机场航路图的权值，根据节点坐标位置与节点之间连通关系，计算得到带距离权值的邻接矩阵G_A，其值如下所示：

该矩阵包含了各节点之间的相对位置及连通关系，通过对该矩阵进行计算可实现机场区域的流量控制；

S3航路规划方法设计，无人机的航路由无向图G中的边组成，设无人机Uk的航路中第i航段表示为E_k(i)，则航路以图G中航段的形式表示如下：

R_E，k＝[E_k(1)，E_k(2)，...，E_k(nr)]

其中nr表示航路中边的数量，对于前后相接的航段E_k(1)，E_k(2)，前方航段起点即为后方航段终点，设沿无人机前进方向，令航段E_k(j)前方为航段E_k(j+1)，E_k(j)的起点为N_s(E_k(j))，终点为N_e(E_k(j))，则

N_e(E_k(j))＝N_s(E_k(j+1))

其中，1≤j≤n_e∈Z₊，设使用节点编号表示的Uk航路为R_N，k，

R_N，k＝N((R_E，K)

＝[N_S((E_k(1))，N_e(E_k(1))，N_e(E_k(2))，....，N_e(E_k(n_r-1))，N_e(E_k(n_r))]

进场规划时，以入口N(i)为起点(N(i)＝N(4))，以各个停机坪节点N(i)为终点，(停机坪节点编号为21～26)，用Dijkstra算法逐个计算出在无向图G中从N(i)到所有N(i)的最短进场路径，取长度最短的一条为R_N，k，即进场路径为入口到各停机坪各个停机坪最短路径中最短的一条，在机场中没有无人机时，U₁进场路径R_N，1[N(4)，N(1)，N(5)]，U₂进场路径R_N，2[N(4)，N(7)，N(10)]；

离场航路规划与进场时类似，以当前停机坪节点N(i)为起点，以机场出口N(i)为终点(N(i)＝N(15))，可直接用Dijkstra算法计算出离场路径R_N，k；

S4飞行延时策略，设U_K接收到进场离场指令的时间为t_s，k，在该时间点为无人机规划路径，若无可用路径，起降延时，U_K在当前位置等待，并在一段时间后再次规划航路，直到航路可用，设U_K在当前时刻总延时为T_d，k，每次延时增加的时间为t_step，k，从开始等待到完成规划航路流程，采用的延时策略将进场与离场的无人机分开计算，即进场与离场无人机之间的延时计算互不影响；

S5机场航路图更新方法设计，机场航路图更新根据无人机的飞行状态、实时位置等信息，将机场中部分航段中断或恢复，对航路图G_A进行更新的目的为确保无人机在机场区域的飞行安全，并在保证安全前提下提高无人机进离场效率，提高机场容量，设在当前时刻下，去掉中断的航路后，剩余机场航路图为G_A，r，机场航路图的更新实质上就是对G_A，r的值不断归零与恢复原值，为保证无人机的飞行安全，规定任意时刻下同航段上只能有一架无人机飞行；

若G_A(i，j)＝0，表示航点N(i)与N(j)之间不存在航路，更新航路时，对于原本不存在的航路，即A(i，j)＝0所对应的N(i)与N(j)之间不会产生新的航路，航路的更新仅指对原有的航路进行变化；

无人机U_K的实时位置为P_U，k，当前速度为V_k，为保证飞行安全，防止在同时段飞行的无人机前方航路存在公共节点，规定在规划出航路后中断航路中所有节点周围的航段；无人机每经过一个节点，恢复该节点周围部分航路，飞行前方航段除外；

设置一个标志位矩阵G_F记录航段被中断的次数，且G_F与邻接矩阵A共同判断各个航段是否可以中断或者回复，G_F初始值为A，G_F(i，j)＝1表示节点i，j之间航路为通，否则表示航路不存在或已中断，在整个机场运行过程中，当G_F满足一定条件时，对G_A，r进行更新，条件如下所述，无人机规划出有效航路之后，若G_F(i，j)≤0且原本存在航路(A(i，j)＝1)，说明该航路已被中断，只需使G_F(i，j)＝G_F(i，j)-1；否则说明两点之间原本不存在航路，无需进行处理，无人机飞过一个航点时，若以该节点为端点的航段对应的G_F(i，j)＝0且原本存在航路，则恢复航路，且使G_F(i，j)＝1；若G_F(i，j)＜0且原本存在航路，只需使G_F(i，j)＝G_F(i，j)+1，此时不允许恢复两点间航段，注意G_F为对称矩阵，在更新G_F(i，j)时需要同步更新G_F(j，i)；

为防止无人机通过已经停放有无人机的停机坪上方航点，停机坪区域需要进行特殊处理；

进场无人机航路图更新步骤如下：

(1)设无人机U_K的进场航路R_N，k＝[N(i₁)，N(i₂)，....，N(i_r)]，则

G_A，r对称，将G_A，r(i_m，i_n)一同修改，并对G_F进行更新，规划出有效航路后，将所有以R_N，k中节点为端点的航段中断；

(2)无人机飞行至停机坪区域前，每经过一个节点，会恢复以该节点为端点的周围所有航段，无人机经过N(i_a)时||P_u，k-P_wp，ia||＜V_K/2，G_A，r(2)变化表达式如下：

同理，将G_A，r(i_a，i_n)一并修改并对G_F进行更新，要注意恢复的航路不包括N(i_a)到下一航点之间的航段；

(3)无人机到达停机坪区域时，为避免后续无人机进入已被占据的停机坪，规定无人机到达停机坪节点N(i_r-1)与N(i_r)时不恢复周围航路，也不改变停机坪区域航段的标志位，在无人机进场直到起飞离开停机坪的过程中需一直保持停机坪区域航路中断的状态，直到无人机起飞后才会恢复，离场航路图更新与进场时类似，但在规划离场航路前，需先将无人机所在的停机坪区域航路恢复，否则无法规划出可用航路，若规划出的航路无效，则需再次中断该停机坪区域的所有航段，到下个离场时间点再次恢复，更新过程需符合G_F进行更新，航路图更新步骤与进场时步骤(1)(2)相同，但在步骤(2)时可以一直飞离出口节点；

S6紧急降落，对无人机紧急航路设计如下：

(1)紧急降落的无人机与其它无人机从不同入口进入，这个紧急入口可以在原入口的上方；

(2)在所有停机坪上方增加一个航点，该航点在原有停机坪上方航点更高处，与紧急入口等高；

(3)无人机从紧急入口进入，直接飞行到距离最近的可停靠的停机坪上方航点后降落；

(4)若从紧急入口到不同停机坪上方直连航线夹角极小，则将部分航线进行合并，即无人机需要飞行至较远停机坪时，先经过较近的停机坪上方节点；

用E_K来表示无人机U_K是否需要紧急降落，E_K＝0表示无人机正常飞行，E_K＝1表示无人机需要紧急降落，紧急降落的无人机航路规划方式与正常降落的无人机基本相同，但多条航线之间夹角可能较小，在进场后短时间内一条航线上飞行的无人机到其余航线的最短距离可能小于安全距离，若有其他无人机在接近的时刻紧急降落可能造成危险，为保证无人机飞行安全，在一架无人机进场后所有紧急航路对后续无人机中断，直到该无人机飞出一段距离后再恢复这些航路，在实际情况下，紧急降落的无人机密度较低，每次增加的延时时间t_step，k采用固定值即可。