[发明专利]一种固定翼无人机集群的分层防撞控制方法

权利要求书

1.一种固定翼无人机集群的分层防撞控制方法，其特征在于，步骤包括：

S1.分层模型构建：按照无人机与冲突对象之间的相对距离大小，将无人机的局部冲突空域划分为多个层次，构建得到局部分层冲突空域模型；

S2.分层冲突检测：实时获取被控无人机的飞行状态信息、未来指定时长内的期望飞行状态信息以及当前局部空域内相邻无人机与环境障碍的运动状态信息，并判定无人机与局部空域内相邻无人机和环境障碍之间的相对状态关系，根据所述相对状态关系确定被控无人机当前对应的局部冲突空域层次，按照确定的所述局部冲突空域层次进行冲突检测；

S3.分层碰撞规避：根据被控无人机当前对应的所述局部冲突空域层次执行碰撞规避；

所述步骤S1中具体基于冲突预警时间τ与无人机和冲突对象之间的相对距离大小之间的关系，将所述局部冲突空域划分为外层、中层以及内层的三个层次，构建得到局部三层冲突空域模型；

所述局部三层冲突空域模型具体为：

Ω_e＝{P_t|R_m|P_t-P|≤R_e}

Ω_m＝{P_t|R_i|P_t-P|≤R_m}

Ω_i＝{P_t|R_s|P_t-P|≤R_i}

其中，Ω_e、Ω_m、Ω_i分别对应为外层、中层以及内层，R_e，R_m，R_i分别为外层、中层和内层冲突空域的距离阈值，R_s为被控无人机的限制安全半径，P为被控无人机自身的位置，P_t为被控无人机的局部冲突空域内任一点的位置；

所述步骤S3中进行冲突检测时，若被控无人机当前对应的所述局部冲突空域层次为所述内层，采用基于无冲突充分条件的碰撞冲突检测方法，具体步骤包括：

配置对于无人机集群内被控无人机i与内层冲突空域内无人机j之间不存在碰撞冲突的充分条件；

若两架无人机的初始相对状态满足所述充分条件，则判定无人机之间不存在碰撞冲突，否则判定无人机之间存在碰撞冲突。

2.根据权利要求1所述的固定翼无人机集群的分层防撞控制方法，其特征在于，所述步骤S2中进行冲突检测时，若被控无人机当前对应的所述局部冲突空域层次为所述外层，采用基于期望路径的碰撞冲突检测方法，具体步骤包括：以预置的参考路径为中心，以及以被控无人机飞行的横向跟踪误差上界为宽，划分出被控无人机沿参考路径的有界飞行区域Ω_rt，并以被控无人机当前位置距离期望路径的最近点为起始点，向飞行的前进方向前推一个距离R_e，得到一个前推的冲突检测飞行区域Ω_ahead，判断环境障碍O是否满足：

min{|P_O-P||P∈Ω_ahead}≤R_s+R_O

如果是则判定环境障碍O与无人机之间存在外层碰撞冲突，其中P_O为环境障碍O的特征点的坐标，R_s为被控无人机的限制安全半径，R_O为被控无人机对环境障碍O的边缘保持距离。

3.根据权利要求1所述的固定翼无人机集群的分层防撞控制方法，其特征在于，所述步骤S2中进行冲突检测时，若被控无人机当前对应的所述局部冲突空域层次为所述中层，采用基于状态预测的碰撞冲突检测方法，具体步骤包括：

计算被控无人机的局部空域中环境障碍的运动速度和方向，并构建环境障碍O的离散运动方程为：

根据构建的所述环境障碍O的离散运动方程和无人机的离散运动学方程，预测时域dt内环境障碍O与被控无人机的N步相对状态序列，其中N＝dt/ΔT，ΔT为控制周期，得到被控无人机与环境障碍O在预测时域dt内可达到的最近距离为：

在每个控制周期ΔT内，若环境障碍O满足则判定为存在中层碰撞冲突。