[发明专利]一种基于三维动态碰撞区的无人机自主避撞决策方法

说明书

本发明公开了一种基于三维动态碰撞区的无人机自主避撞决策方法，属于无人机导航制导与控制技术领域。首先获取无人机所在空域的综合态势信息，若无人机处于紧急转向段，则继续紧急转向，直至进入平稳飞行段。然后计算每个障碍物的总威胁指数，按总威胁指数对所有障碍物进行排序，如果障碍物中存在威胁源，则判断各威胁源中是否存在警戒目标，如果是，计算无人机对于警戒目标的无机动碰撞区的边界条件。如果警戒目标位于边界条件内，预测无人机避开警戒目标可用的逃逸时间和逃逸距离。如果局部完全逃逸时间大于决断时间，则警戒目标中存在紧急目标，无人机根据应急避撞策略，进行应急机动，完成自主避撞。本发明适用于复杂环境，且易于实现。

技术领域

本发明涉及一种基于三维动态碰撞区的无人机自主避撞决策方法，属于无人机导航制导与控制技术领域。

背景技术

无人机具有使用灵活、适应性强和性价比高等优点，在实际需求与技术发展的双重推动下，其应用范围不断拓展。无人机自主避撞决策是指无人机根据对飞行态势的认识和理解，决定是否重新规划航路以规避危险。随着无人机产业的迅猛发展，空域资源的稀缺性日益凸显。同时，由于自主规避防撞能力的缺失，目前国内外的无人机还难以与有人机等飞行器共享空域，无人机的未来发展受到严重限制。实现复杂环境下无人机自主避撞决策是使无人机达到与有人机相当的安全水平、融入共享空域的前提之一，具有重要的意义。

避撞决策通常以碰撞检测的结果为依据。基于来自各种机载传感器和通信链路的数据，碰撞检测通过对本机和环境的状态估计与空间遭遇建模，为避撞决策提供了当前态势下对碰撞冲突的评估信息。在目前的碰撞检测研究中，相对于传统的基于固定阈值的碰撞区，三维动态碰撞区由于综合考虑了无人机与入侵机的实时状态信息而能够更好地适应复杂环境的快速变化。虽然三维动态碰撞区在避撞决策领域有较大的应用潜力，但目前相关研究尚有较大的空白。由于缺乏对模型中包含的时间安全信息和距离安全信息的充分的挖掘和利用，目前尚未有研究提出基于三维动态碰撞区的避撞决策方法。

基于上述分析，无人机自主避撞决策方法应解决的技术问题如下：

(1)能够使无人机根据当前飞行态势灵活地切换机动方式，为其在复杂环境下的飞行安全提供保证；

(2)避撞决策所依据的飞行安全信息物理意义明确，形式简洁，具有合理性和有效性；

(3)决策方法具有较低的计算成本和较好的实时性，易于工程实现。

发明内容

本发明为了解决上述问题，使无人机在避撞决策方面具有充分的灵活性和有效性，提出一种基于三维动态碰撞区的无人机自主避撞决策方法，充分利用环境中障碍物的威胁评估结果和三维动态碰撞区中包含的飞行安全信息，为无人机提供了从当前态势到机动方式的合理映射，使无人机在适当的时机采取适当的规避机动，实现了复杂环境下无人机的航路平滑性与飞行安全性之间的平衡。

所述基于三维动态碰撞区的无人机自主避撞决策方法，具体包括如下步骤：

步骤一：在当前无人机飞往目标的航路上，获取当前无人机所在空域的综合态势信息；

所述的综合态势信息具体包括：无人机的位置和地速向量，所探测到的各个障碍物的位置、形状、尺寸和地速向量等。

步骤二：针对当前采样时刻，判断无人机是否处于紧急转向段，如果是，则继续进行紧急转向，直至无人机进入平稳飞行段；否则，无人机继续平稳飞行段；

在紧急转向段，无人机通过施加最大的控制力，实现航迹倾斜角和/或航迹方位角的快速改变；当地速方向的改变量达到航迹倾斜角的最大上升角时，无人机结束紧急转向，进入到平稳飞行段。

步骤三：当无人机处于平稳飞行段时，计算当前采样时刻探测到的每个障碍物的威胁指数；