CN106463066B - 用于在存在入侵飞行器的情况下操纵航空无人机的方法以及实现该方法的无人机 - Google Patents

Abstract

在无人机周围空域中存在至少一个入侵飞行器的情况下操纵航空无人机的方法，其中无人机与入侵飞行器之间的估计距离是基于收到信号强度来计算的并且在无人机使用估计距离计算得到的定位数据的元素的估计值基本上对应于定位数据的元素的测量值的情况下被确认。被设计用于实现这一方法的航空无人机。

Description

用于在存在入侵飞行器的情况下操纵航空无人机的方法以及 实现该方法的无人机

本发明涉及防止飞行器之间的碰撞，且更具体地涉及操纵和驾驶航空无人机的方法。

本发明还涉及实现这样的操纵和驾驶方法的无人机。

背景技术

航空无人机是没有机载人类飞行员的飞行器。这一飞行器可配备自动化系统并且自主飞行；它还可配备连接到自动驾驶设备的传感器和/或由地面上的飞行员操作的遥控设备。航空无人机在军事领域被越来越多地使用，尤其用于战场监督和侦察或甚至地面攻击。

已经设想了航空无人机在民用领域的使用，尤其是用于执行涉及诸地域的航空监督的操作。这些无人机的确令人感兴趣，因为它们具有高度的飞行自主性。另一方面，它们遭受不良机动性的损害。缺少机载飞行员阻止了无人机遵守民用航空中施行的空中规则；这是具体地规定飞行器必须能够执行“看到并规避”功能的规则，从而允许飞行器避免碰撞。因此，无人机不被允许在非隔离空域(即在与具有机载飞行员的民用飞行器相同的地点和相同的时间中)飞行。

已知在飞行器上安装机载应答器(根据民用飞行器的模式A、C或S操作)，从而具体地允许辅空中交通控制站确定这些飞行器的位置并在所监视的空域中标识后者。为此，辅雷达站询问在所监视的空域中操作的飞行器的应答器，并且应答器作为响应根据应答器的操作模式返回包含标识符以及气压高度的信号。

碰撞避免系统存在，被设计成配备某些驾驶的飞行器，这通过TCAS的名称知悉并且对应于由国际民用航空公约所定义的ACAS标准。在欧洲，这一系统的使用趋于广泛，并且具有十九个以上乘客座位的所有商业飞行器必须强制安装这一系统的版本II，包括模式S应答器。该系统被设计成检索与在飞行器周围空域(被认为2.5英里(4km)和30英里(48km)的距离范围)中操作的任何飞行器(所谓的入侵飞行器)的航向和位置有关的数据。这些数据主要包括距这些飞行器的距离、它们的气压高度以及近似方位。数据是通过询问入侵飞行器的模式S应答器来恢复的并且被TCAS II系统用来确定与这一入侵飞行器的碰撞是否是可能的。如果TCAS系统检测到潜在的碰撞，则通过在驾驶员座舱内发出的可听警报来通知每一飞行器的驾驶员。如果碰撞风险在这一警报之后没有降低，且碰撞看起来即将来临，则TCAS系统为飞行员确定调动指令：维持现有航线、爬升、下降或监视垂直速度。

然而，使用TCAS II系统在无人机上受限且不适当的，它们不具有机载飞行员且一般相对低成本。

发明目标

本发明的目标是通过使得可能将无人机周围空域中的至少一个入侵飞行器纳入考虑来促进无人机的操纵并增加无人机的安全性。

发明内容

为此，本发明提供了一种在无人机周围空域中存在至少一个入侵飞行器的情况下操纵航空无人机的方法。该方法包括在无人机上实现的诸阶段，涉及：

从入侵飞行器接收信号并基于接收到的信号的强度来计算无人机与入侵飞行器之间的估计距离，该信号至少包括入侵飞行器的高度；

捕捉入侵飞行器的至少一个图像并基于这一图像来确定入侵飞行器的方位角；

从由入侵飞行器传送的信号中提取高度；

使用所估计的距离来计算入侵飞行器或无人机的定位数据的元素的估计值；

将定位数据的元素的估计值与定位数据的元素的测量值相比较，并且如果估计值基本上匹配测量值则将计算得到的距离纳入考虑来用于操纵。

定位数据的元素可以是入侵飞行器的高度(其中测量值是所传送的高度)或入侵飞行器相关于无人机的方位角(其中方位角的测量值是在图像中确定的方位角)。因此，因为在计算定位数据的元素的估计值时涉及所估计的距离，所以估计值与测量值的比较允许验证无人机与入侵飞行器之间的估计距离的有效性。这因此限制了出错的风险。估计距离和经验证的距离随后可在操纵中纳入考虑，尤其用于由入侵飞行器预测规避动作或标识可用数据中对操纵而言使用起来最安全的数据。无人机配备应答器询问器不是强制的，其中无人机机载接收机接收例如由入侵飞行器的模式C或S应答器发出的信号(在入侵飞行器被地面上的辅雷达或配备询问器的另一飞行器询问之后)；无人机机载接收机还可接收例如由ADS-B(自动相关监督广播)设备自动发出的信号。本发明的方法因此可以只基于无源传感器来实现，尤其是在无人机只需要在由辅雷达覆盖的环境中操作的情况下。

本发明还涉及一种包括驾驶设备的无人机，该驾驶设备连接到高度测量装置、被设计成确定在无人机的周围区域中操作的入侵飞行器的方位角的光电子检测设备、以及用于接收由入侵飞行器发出的且包括入侵飞行器的高度的信号的接收机。无人机的驾驶设备被设计成：

基于接收机接收到的信号的强度来计算无人机与入侵飞行器之间的估计距离；

由光电子设备捕捉入侵飞行器的至少一个图像并基于这一图像来确定入侵飞行器的方位角；

从由入侵飞行器传送的信号中提取高度；

基于方位角和计算得到的距离来计算入侵飞行器的估计高度；

将估计高度与所传送的高度相比较，并且在估计高度基本上匹配所传送的高度的情况下将计算得到的距离纳入考虑以用于操纵。

在阅读了下面的对特定的非限制性本发明的实施例的描述之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。

将参考附图，在附图中：

图1是根据本发明的飞行器与无人机之间的交会情况的透视示意图；

图2是根据本发明的无人机的驾驶设备的示意图。

参考附图，根据本发明的航空无人机具有飞行器的总体形状且包括机身1和机翼2，它们配备有可通过连接到无人机机载驾驶设备的致动器来移动的飞行表面。无人机结构本身不是本发明的一部分且因此将不在此详细描述。

驾驶设备(一般标记为3)包括连接到高度测量装置5、光电子检测设备6以及接收机7的数据处理单元4。驾驶设备3还以本质上已知的方式包括飞行控制表面的致动器的控制装置和无人机引擎。

数据处理单元4是具体地包括用于处理数据的处理器和用于记录数据的存储器的计算机单元。

高度测量装置5是常规气压计装置。

光电子检测设备6包括连接到捕获单元且被定向以获得覆盖位于无人机前方的所监视空域的视野的图像传感器。检测设备6的传感器被设计成在红外范围和/或在可见光范围中操作。传感器的性能足以允许在所提供的图像中检测位于在8和10km之间的最大距离处的所监视的空域内的飞行器(所谓的入侵飞行器)。处理单元4包括被设计成确定在所监视的空域内操作的入侵飞行器的方位角的图像处理模块(软件或硬件)。

接收机7具有有向天线且被设计成接收由在无人机邻域中操作的飞行器的模式S应答器发出的信号。在这种情况下，接收机在1090MHz频率处操作。该信号包含：入侵飞行器的气压高度、载波码、以及标识配备模式S应答器的每一飞行器的十六进制码。

驾驶设备3被设计且被编程以：

基于接收机7接收到的信号的强度来计算无人机与入侵飞行器之间的估计距离；

由光电子设备6捕捉入侵飞行器的至少一个图像并基于这一图像来确定入侵飞行器的方位角；

从由入侵飞行器传送的信号中提取高度；

基于方位角和计算得到的距离来计算入侵飞行器的估计高度；

将估计高度与所传送的高度相比较，并且在估计高度基本上匹配所传送的高度的情况下将计算得到的距离纳入考虑以用于操纵。

处理单元4被编程以将Kalman滤波器尤其用于以下各项的计算：

基于接收到的信号中包含的所传送的高度的、入侵飞行器的高度和垂直速度；

基于每一接收到的信号的强度的、无人机与入侵飞行器之间的估计距离和相对速度(或接近速度)

基于方位角和估计距离的、入侵飞行器的估计高度和估计爬升速度。

此外，处理单元4包括用于将纯从接收到的信号导出的数据(所传送的高度、估计距离、估计接近速度、垂直速度)与还从图像导出的数据(估计爬升速度、估计高度)进行关联的关联模块(软件或硬件)。

现在将描述涉及根据本发明的无人机与入侵飞行器之间的潜在碰撞的情况以解释本发明的方法。

当无人机A正在飞行时，光电子设备6向处理单元4提供图像，处理单元4处理这些图像以探查入侵飞行器的存在。图像处理模块一旦在光电子设备6传送的图像之一中检测到入侵飞行器C，图像处理模块随后就在该图像中确定出现在该图像中的入侵飞行器C的方位角。

并行地，飞行中的无人机A接收对位于地面S且具有监督区域的辅雷达站B进行回复的来自飞行器的应答器的信号，除无人机A之外所述飞行器也在该监督区域内飞行。无人机A的处理单元4提取在信号中包含的所传送的高度、发出信号的飞行器的标识符以及接收到的信号的功率。

无人机与入侵飞行器之间的估计距离是通过Kalman滤波器基于收到信号的功率来计算的并且被传送给关联模块。

估计距离还被处理单元4用来基于该估计距离和方位角来计算入侵飞行器的估计高度。

不用说，估计距离的计算只在信号接收和图像捕捉在时间上接近的情况下是有效的。因而设想了驾驶单元3被设计成控制光电子设备6使得信号的接收自动触发光电子设备6对图像的捕捉。

估计高度是在本地陆地坐标系中(例如在NED或ENU坐标系中)计算的。同样，估计高度的准确度依赖于信号接收和图像捕捉时间的邻近度。

收到信号的功率在此以收到信号的信噪比的形式被使用。这一比率依赖于应答器与接收机之间的距离、输出功率(1到5瓦之间的应答器TBC)、发射天线的增益(入侵飞行器C的应答器天线)、接收天线7的增益以及大气衰减。然而，在实验上确定距离可由信噪比的二度法则来逼近是可能的。在这种情况下，所采用的法则在所考虑的1和10km之间的距离范围上是有效的。

假定建立与所传送的标识符的关联是可能的，将从来自入侵飞行器C的图像提取的数据或随后由入侵飞行器C传送的信号将与所述标识符相关联。

基于从连贯的两个信号获得的数据，处理单元4的Kalman滤波器被设计成基于估计距离来计算入侵飞行器C与无人机A的接近距离以及入侵飞行器C与无人机A之间的碰撞的估计时间。

Kalman滤波器被设计成监视数据随时间的演化，检测误差并平滑诸结果。

所传送的高度、估计距离、估计接近速度(通过估计距离在给定时间中的差来计算)、垂直速度(通过所传送的高度在给定时间中的差来计算)、估计高度(基于估计距离和方位角来计算)、以及估计爬升速度被传送给处理单元4的关联模块，它被设计成将这些数据与该数据的标识码(诸如入侵飞行器的标识符(在收到信号中传送))相关联。

因此，关联模块被设计成执行高度的比较，即：

高度(入侵飞行器的所传送的高度和估计高度)的直接比较；和/或

爬升速度(通过连贯地传送的诸高度的差以及通过基于两个连贯图像所估计的高度的差，分别相关于连贯信号的接收之间的时间和连贯图像的捕捉之间的时间来获得)的比较。

基于碰撞的估计时间，处理单元4向驾驶设备3发出规避命令；规避命令可在系统上是相同的(向右转向或向左转向)或被适配成例如将入侵飞行器C的爬升速度(上升或下降)纳入考虑。

因此，可以看到，经确认的估计距离已被纳入无人机A的操纵的考虑中。

将注意，关联模块采用如下标识符：估计高度基本上等于所传送的高度(由此，在这种情况下，估计距离被确认)。在若干标识符可被选择的情况下，关联模块采用与最差情况相对应的标识符，即导致最短估计距离和最高接近速度的标识符。

如果没有所传送的高度基本上等于估计高度，则所选择的标识码因关联模块而异，直至与这一标识码相关联的数据可与所传送的标识符和关联于后者的数据相关联为止。

标识码因而或者因关联模块而异(如果信号尚未被接收)或因从收到信号提取的标识符而异(如果接收到这样的信号)。

将注意，有向天线使得可能通过允许确定信号的发射方向以及验证其与在图像中确定的方位角的兼容性来消除关联期间的模糊性。在这种情况下，从图像提取爬升角也是有价值的，爬升角与发射方向的一致性可随后被验证。此外，爬升角可被用来确定入侵飞行器的航线以开发规避调动和/或细调碰撞的预测。

此外，处理单元4优选地被设计成基于由光电子设备捕捉的两个连贯图像中入侵飞行器的尺寸来确定入侵飞行器的接近速度。为此，图像处理模块从每一图像提取在每一图像中由入侵飞行器的表面形成的立体角或者每一图像中入侵飞行器的以像素为单位的大小。通过与飞行器签名数据库中包含的签名相比较，无人机与入侵飞行器之间的估计距离可被确定(从模式S信号中包含的数据获得的入侵飞行器的大小也可被用作向导)。处理单元4被设计成基于通过比较来自两个连贯图像的这些数据获得的入侵飞行器的立体角的变化或者以像素为单位的大小周期性地提供接近速度。

因而，在入侵飞行器上缺少应答器的情况下，只有从由光电子检测设备提供的图像中提取的数据被用来确定碰撞风险以及要执行的规避调动。

此外，如果入侵飞行器配备应答器，则通过图像处理获得的接近速度可以与作为因变于收到信号强度计算得到的估计距离的变化的函数所获得的那些接近速度相比较。这允许确认或校正由关联模块提供的结果。因此，比较并分析通过只使用从光电子设备6导出的数据所获得的结果以及通过还使用从信号提取的数据获得的结果以只保持具有较少噪声的结果是可能的。

作为替换实施例，处理单元4还连接到被设计成询问在邻域中操作的飞行器的应答器的询问器。

当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落在诸如由权利要求限定的本发明的范围内的任何替换方案。

具体而言，本发明还可与根据模式S以外的模式(例如模式C或军用飞行器的应答器的诸模式)操作的应答器一起使用。如果信号不具有标识符，则搜寻与收到信号一致的数据以标识对应的轨迹。

本发明还可与自动相关监督广播系统ADS-B一起使用，其中入侵飞行器周期性地全向发出尤其包含其位置和高度的信号。

作为替换实施例，定位数据的元素是入侵飞行器的方位角，其中该方法因此包括以下阶段：

基于无人机的高度、所传送的高度、以及估计距离来计算入侵飞行器的估计方位角；

将估计方位角与基于图像确定的方位角相比较，并且在估计方位角基本上匹配基于图像确定的方位角的情况下将估计距离纳入考虑以用于操纵。

处理单元可被设计成从图像提取上述数据以外的数据，例如入侵飞行器的爬升角。这一爬升角在所描述的方法中未被使用，因为考虑到入侵飞行器是直接朝无人机飞行以将无人机的操纵中的最危急情况纳入考虑。可以设想，使用爬升角来确定入侵飞行器的航线以细调碰撞的预测以及要执行的规避调动。

所使用的高度可以是气压高度和/或通过卫星型地理定位设备获得的高度。

Claims (13)

1.一种在航空无人机的周围空域中存在至少一个入侵飞行器的情况下操纵所述无人机的方法，其特征在于，所述方法包括在所述无人机上实现的诸阶段，包括：

在所述无人机上从所述入侵飞行器接收信号并基于接收到的信号的强度来计算所述无人机与所述入侵飞行器之间的估计距离，所述信号至少包括所述入侵飞行器的高度；

捕捉所述入侵飞行器的至少一个图像并基于这一图像来确定所述入侵飞行器的方位角；

从由所述入侵飞行器传送的信号中提取高度；

使用所估计的距离来计算所述入侵飞行器的定位数据的元素的估计值；

在所述入侵飞行器的定位数据的元素的估计值是所述入侵飞行器的估计高度的情况下，将所述估计高度与从由所述入侵飞行器传送的信号中提取的高度相比较，并且如果所述估计高度基本上匹配所提取的高度则将计算得到的距离纳入考虑来用于操纵；以及

在所述入侵飞行器的定位数据的元素的估计值是所述入侵飞行器的估计方位角的情况下，将所述估计方位角与由所述无人机确定的方位角相比较，并且如果所述估计方位角基本上匹配由所述无人机确定的方位角则将计算得到的距离纳入考虑来用于操纵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，定位数据的所述元素是所述入侵飞行器的高度，所述方法因此包括以下阶段：

基于所述方位角和所述估计距离来计算所述入侵飞行器的估计高度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，定位数据的所述元素是所述入侵飞行器的方位角，所述方法因此包括以下阶段：

基于所述无人机的高度、所传送的高度、以及所述估计距离来计算所述入侵飞行器的估计方位角。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下后续阶段：基于在两个连贯图像上计算得到的估计距离来计算所述无人机和所述入侵飞行器的至少一个接近速度和估计碰撞时间。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下阶段：基于在两个连贯图像中所述入侵飞行器的尺寸来计算所述无人机和所述入侵飞行器的接近速度，并且将基于在两个连贯图像中所述入侵飞行器的尺寸确定的接近速度与基于在两个连贯图像中计算得到的估计距离确定的接近速度相比较。

6.一种包括包含数据处理单元的驾驶设备的航空无人机，所述数据处理单元连接到高度测量装置、被设计成确定在所述无人机的周围区域中操作的入侵飞行器的方位角的光电子检测设备、以及用于接收由所述入侵飞行器发出的且包括所述入侵飞行器的高度的信号的接收机，其中所述驾驶设备被设计成：

基于所述接收机接收到的信号的强度来计算所述无人机与入侵飞行器之间的估计距离；

由所述光电子检测设备捕捉所述入侵飞行器的至少一个图像并基于这一图像来确定所述入侵飞行器的方位角；

从由所述入侵飞行器传送的信号中提取高度；

使用所述估计距离来计算所述入侵飞行器的定位数据的元素的估计值；

在所述入侵飞行器的定位数据的元素的估计值是所述入侵飞行器的估计高度的情况下，将所述估计高度与从由所述入侵飞行器传送的信号中提取的高度相比较，并且如果所述估计高度基本上匹配所提取的高度则将计算得到的距离纳入考虑来用于操纵；以及

在所述入侵飞行器的定位数据的元素的估计值是所述入侵飞行器的估计方位角的情况下，将所述估计方位角与由所述无人机确定的方位角相比较，并且如果所述估计方位角基本上匹配由所述无人机确定的方位角则将计算得到的距离纳入考虑来用于操纵。

7.如权利要求6所述的无人机，其特征在于，所述无人机包括被设计成询问所述入侵飞行器的应答器的询问器。

8.如权利要求6所述的无人机，其特征在于，所述数据处理单元包括估计所述入侵飞行器的接近速度的装置。

9.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，所述估计所述入侵飞行器的接近速度的装置是被设计成因变于所述入侵飞行器在由所述光电子检测设备捕捉的两个连贯图像中的大小来确定所述入侵飞行器的接近速度的图像处理单元。

10.如权利要求8所述的无人机，其特征在于，所述估计所述入侵飞行器的接近速度的装置包括用于基于所述估计距离来计算所述接近速度的Kalman滤波器。

11.如权利要求10所述的无人机，其特征在于，所述Kalman滤波器被设计成基于由所述光检测电子设备所提供的图像以及由所述飞行器传送的高度来周期性地提供估计距离和接近速度。

12.如权利要求11所述的无人机，其特征在于，所述估计距离和所述接近速度与所述入侵飞行器的标识符相关联，所述标识符是从由无人机应答器接收到的信号中提取的。

13.如权利要求6所述的无人机，其特征在于，所述接收机包括有向天线。

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