CN112596538B - 一种大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法，所述大型无人机冲突检测与避让决策装置包括：数据获取模块、本机参数配置模块、冲突检测与避让模块和显示模块；所述数据获取模块获取本机信息、目标航空器信息；所述本机参数配置模块用于配置该大型无人机的本机性能约束、感知避让安全间隔阈值及告警阈值参数；所述冲突检测与避让模块判断目标航空器是否已经入侵、对目标航空器是否有入侵趋势进行预判，进行矫正型、警告型、安全间隔入侵三类告警，为所述大型无人机在水平速度、航向、垂直速度和垂直高度提供决策建议。根据本发明的方案，计算量小，考虑到无人机本机机动能力，决策具有实用性，与现有管制运行机制相适应。

Description

一种大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法。

背景技术

在大型无人机进入国家空域与有人机融合管制运行的情况下，需要由无人机感知避让系统辅助大型无人机。冲突检测与避让决策是无人机感知避让系统的核心功能。

无人机冲突检测与避让决策需要实现两个方面的能力，一是保持间隔，使无人机与其它航空器之间持续处于一个相对安全的距离状态；二是恢复间隔，当无人机与其它航空器之间的距离已经小于相对安全的距离状态时，使其恢复到安全距离状态。

现有技术中已有一些无人机冲突解脱策略，主要有以下三类解决方式：第一类解决方式，基于实际中难以确定或无法满足的相对理想、宽泛的条件和假设，例如，不限定航空器的机动能力；需要较大范围的空中态势信息；需要进行超出目前有人机航空器现状和航空器空中通信能力的分布式协同；不考虑算法的复杂程度和实现成本等，这些方法更适用于冲突解脱理论规律的研究；第二类解决方式，动态调整信息获取及计算成本非常高，且难以实现本机化决策处理，基于相对静态的全局信息，且这些方法实际上更适用于相对长期的冲突解脱，而非短期动态间隔保持与避让；第三类解决方式，未考虑与现有管制运行机制的兼容性问题，例如，不是基于安全间隔概念框架，不利于标准化实施；以无人机作为完全决策主体独立、动态推算避让航路点或直接生成新的全任务路径等，这些算法难以直接适用于目前的实际运行，不适应目前以人员作为主要决策主体、以计划作为管理依据的空中交通管制运行方式。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法，所述大型无人机冲突检测与避让决策装置及使用方法，用以解决现有无人机冲突解脱策略不适用于大型无人机融合管制运行实际工作，难以实现在现有管制机制环境下为融合飞行的大型无人机驾驶员和管制员提供告警及避让决策指导的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种基于大型无人机冲突检测与避让决策装置，所述大型无人机冲突检测与避让决策装置包括数据获取模块、本机参数配置模块、冲突检测与避让模块和显示模块；

所述数据获取模块获取本机信息、目标航空器信息；所述本机信息包括该大型无人机的位置速度信息和该大型无人机的性能约束信息，所述位置速度信息包括该大型无人机所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；该大型无人机的性能约束信息包括该大型无人机的最大转弯率、最小和/或最大水平速率、最大水平加速度、最小垂直速率和最大垂直加速度；所述目标航空器指待检测的航空器，所述目标航空器信息包括该目标航空器的位置速度信息，包括所述目标航空器所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；

所述本机参数配置模块用于配置该大型无人机的本机性能约束、安全间隔阈值参数及告警阈值参数；安全间隔是以大型无人机为中心定义的，以预设水平方向和垂直方向的距离、时间为基准的，标识目标航空器与无人机之间的一个冲突危险区域的范围；所述安全间隔阈值参数包括该大型无人机与目标航空器在水平方向的时间和/或距离阈值、以及垂直方向的时间和/或距离阈值，用于度量该大型无人机与目标航空器之间是否存在冲突危险；告警阈值是在不同告警级别下，触发进行相应级别的告警的阈值；所述告警阈值参数包括若干以时间度量的、用于表达与冲突危险区域边界距离的时间阈值；

所述冲突检测与避让模块包括安全间隔入侵检测模块、多级告警模块及间隔保持与避让决策模块；

所述安全间隔入侵检测模块根据获取的本机信息、目标航空器信息，通过计算，判断目标航空器是否已经入侵、对目标航空器是否有入侵趋势进行预判；

所述多级告警模块用于获取所述安全间隔入侵检测模块的计算结果，进行矫正型、警告型、安全间隔入侵三类告警；

所述间隔保持与避让决策模块基于所述数据获取模块获取的数据，为所述大型无人机在水平速度、航向、垂直速度和垂直高度提供决策建议；

所述显示模块用于接收并显示告警信息、决策建议。

根据本发明第二方面，提供一种基于大型无人机冲突检测与避让决策装置的使用方法，其包括如前所述的大型无人机冲突检测与避让决策装置，使用方法包括：

获取大型无人机的数据，确定目标航空器，确定所述目标航空器的数据，将所述大型无人机的数据及所述目标航空器的数据传送给大型无人机冲突检测与避让决策装置。

根据本发明第三方面，提供一种大型无人机冲突检测与避让决策系统，包括：

处理器，用于执行多条指令；

存储器，用于存储多条指令；

其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如前所述的大型无人机冲突检测与避让决策方法。

根据本发明的上述方案，以形成大型无人机在实际交通运行中的间隔保持与避让能力为目标，可以用于无人机与有人机在同一空域融合管制运行情况下，无人机地面站感知避让系统中冲突检测与避让决策等功能的实现。本发明的上述方案，具有以下特点：

(1)无人机系统内可独立实现。即基于大型无人机局部获取信息、无需与周围航空器实施大量常规信息交互之外的空中信息交互和协同规划，且本方案基于几何方法，计算复杂度低。

(2)与无人机实际能力相结合。考虑到无人机本机机动能力，决策具有实用性。

(3)与现有管制运行机制相适应。本方案能够同时给出水平、垂直方向上速度、角度等多种调整策略建议，在驾驶员决策模式下，可供无人机驾驶员选择并有充分的灵活度与管制员进行策略协同，避免与路权规则发生冲突，且给无人机驾驶员和管制员提供了一定的决策裕度，便于管制员根据实际情况进行全局决策。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：

图1为本发明一个实施方式的大型无人机冲突检测与避让决策装置的总体结构图；

图2为本发明一个实施方式的数据信息计算方式示意图；

图3为本发明一个实施方式的安全间隔入侵判断逻辑示意图；

图4为本发明一个实施方式的安全间隔入侵预判逻辑示意图；

图5为本发明一个实施方式的垂直方向穿入、穿出冲突危险区域的判断流程图；

图6为本发明一个实施方式的水平方向穿入、穿出冲突危险区域的判断流程图；

图7为本发明一个实施方式的生成本机与多机之间将发生安全间隔入侵的决策带的流程图；

图8为本发明一个实施方式的生成安全间隔入侵的决策带列表流程图；

图9为本发明一个实施方式的恢复带统计函数实现示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先结合图1说明本发明的大型无人机冲突检测与避让决策装置，如图1所示：

所述大型无人机冲突检测与避让决策装置包括数据获取模块、本机参数配置模块、冲突检测与避让模块和显示模块；

所述数据获取模块获取本机信息、目标航空器信息；所述本机信息包括该大型无人机的位置速度信息和该大型无人机的性能约束信息，所述位置速度信息包括该大型无人机所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；该大型无人机的性能约束信息包括该大型无人机的最大转弯率、最小和/或最大水平速率、最大水平加速度、最小垂直速率和最大垂直加速度；所述目标航空器指待检测的航空器，所述目标航空器信息包括该目标航空器的位置速度信息，包括所述目标航空器所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；

所述本机参数配置模块用于配置该大型无人机的本机性能约束、安全间隔阈值参数及告警阈值参数；安全间隔是以大型无人机为中心定义的，以预设水平方向和垂直方向的距离、时间为基准的，标识目标航空器与无人机之间的一个冲突危险区域的范围；所述安全间隔阈值参数包括该大型无人机与目标航空器在水平方向的时间和/或距离阈值、以及垂直方向的时间和/或距离阈值，用于度量该大型无人机与目标航空器之间是否存在冲突危险；告警阈值是在不同告警级别下，触发进行相应级别的告警的阈值；所述告警阈值参数包括若干以时间度量的、用于表达与冲突危险区域边界距离的时间阈值；

所述冲突检测与避让模块包括安全间隔入侵检测模块、多级告警模块及间隔保持与避让决策模块；

所述安全间隔入侵检测模块根据获取的本机信息、目标航空器信息，通过计算，判断目标航空器是否已经入侵、对目标航空器是否有入侵趋势进行预判；

所述多级告警模块用于获取所述安全间隔入侵检测模块的计算结果，进行矫正型、警告型、安全间隔入侵三类告警；

所述间隔保持与避让决策模块基于所述数据获取模块获取的数据，为所述大型无人机在水平速度、航向、垂直速度和垂直高度提供决策建议；

所述显示模块用于接收并显示告警信息、决策建议。

图2为本发明又一个实施方式的数据信息计算方式示意图，如图2所示：

根据能力要求，自主间隔保持与避让算法的目标是在飞行过程中为无人机驾驶员提供间隔保持与避让决策指导能力，从而预防安全间隔入侵(即航空器之间的距离小于定义的安全间隔)的情况发生或在已经发生安全间隔入侵的情况下，使航空器之间回到安全间隔。

主要包括三项功能：

(1)安全间隔入侵检测算法预测本机与目标航空器之间的安全间隔入侵情况，算法输入是已经过跟踪、滤波、融合的监视轨迹数据信息，且假设其满足准确性和完好性要求，利用安全间隔入侵检测算法，无人机可预测出在给定操作参数(当前状态及状态改变加速度)下，所有在其监视范围内航空器与本机在未来指定时间范围内是否会发生安全间隔入侵；

(2)告警逻辑根据安全间隔入侵的紧急程度，划分不同的告警等级并根据告警阈值及时发出告警，实现无人机驾驶员对交通态势及其威胁的等级化感知,并及时做出机动方法的判断决策；

(3)决策算法给出与所有航空器保持或恢复“安全间隔”的决策建议。若入侵航空器与无人机之间目前仍符合感知避让安全间隔要求，决策算法提供预测发生安全间隔入侵的本机速度、高度、航向范围，无人机驾驶员将依据或借鉴该范围，发出避免安全间隔入侵的决策命令，控制两机保持安全间隔；若入侵航空器与无人机之间已不满足安全间隔要求，或已无法给出保持安全间隔的决策，则决策算法为无人机驾驶员提供恢复安全间隔的本机速度、高度、航向范围。

本实施例中，所述本机信息能够从大型无人机的自动驾驶和飞行计划机载单元获取，所述入侵航空器信息能够通过机载传感器获取。进一步地，所述本机信息还包括该大型无人机的未来一段时长T内的飞行意图信息。所述入侵航空器信息还包括该入侵航空器的未来一段时长T内的飞行意图信息，可以ADS-B IN意图字段等方式获取。本实施例中，所述数据获取模块还可以获取风的数据信息。

所述安全间隔入侵检测模块包括安全间隔入侵判断子模块和安全间隔入侵预判子模块。

所述安全间隔入侵判断子模块获取本机信息、目标航空器信息，在以本机为原点的三维欧式相对坐标系中，计算本机与目标航空器的水平相对位置矢量s＝s_o-s_i，其中，s_o为目标航空器的水平位置，s_i为本机的水平位置；垂直相对位置变量s_z＝s_oz-s_iz，其中，s_oz为目标航空器的垂直位置，s_iz为本机的垂直位置；水平相对速度矢量v＝v_o-v_i，其中，v_o为目标航空器的水平速度，v_i为本机的水平速度，垂直相对速度变量v_z＝v_oz-v_iz，其中，v_oz为目标航空器的垂直速度，v_iz为本机的垂直速度；根据由本机参数配置模块配置的DMOD、TAUMOD、ZTHR和TCOA四个门限值限定的冲突危险区域，判断该大型无人机与目标航空器是否发生安全间隔入侵事件；其中，DMOD为水平方向距离间隔阈值，TAUMOD为水平方向时间间隔阈值，ZTHR为垂直方向距离间隔阈值，TCOA为垂直方向时间间隔阈值。

本实施例中，获取由本机参数配置模块配置的DMOD、TAUMOD、ZTHR和TCOA四个门限值，上述四个门限值共同限定了以大型无人机为中心的冲突危险区域；如图3所示，当水平方向和垂直方向同时满足入侵条件时，则判断安全间隔保持失败，发生安全间隔入侵事件。

所述安全间隔入侵预判子模块以所述大型无人机与所述目标航空器的水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入，预计该目标航空器穿入冲突危险区域时间t_in、穿出冲突危险区域时间t_out，返回时间区间[t_in,t_out]；判断目标航空器未来是否进入该大型无人机的冲突危险区域，其中，B表示探测开始时间，T表示预先配置的需探测时间范围。

在假设大型无人机、目标航空器等飞行器速度恒定的情况下，t_in代表穿入冲突危险区域时间，t_out代表穿出冲突危险区域时间。本实施例中，B设置为0，表示探测从当前时间开始。

图4示出了安全间隔入侵预判方法。

所述安全间隔入侵预判子模块以所述大型无人机与所述目标航空器的水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入，预计该目标航空器穿入冲突危险区域时间t_in、穿出冲突危险区域时间t_out，返回时间区间[t_in,t_out]；判断目标航空器未来是否进入该大型无人机的冲突危险区域，包括：

以大型无人机与所述目标航空器当前水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入参数；调用垂直方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，获取垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]；

若t₁>t₂，说明垂直方向在[B,T]时间内不会发生安全间隔入侵，因而判断不会发生安全间隔入侵事件，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[T,B]；

若t₁＝t₂，说明垂直方向切过危险区域，则调用水平方向穿入、穿出冲突危险区域预判逻辑单元，获取水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]，判断t₁时刻是否处于水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]内，若是，则判断t₁瞬间为安全间隔入侵状态，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[t₁,t₁]，若否，判断不会发生安全间隔入侵事件，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[T,B]；

若t₁<t₂,以水平方向相对初始位置s+t₁·v、水平相对速度矢量v、预判时间间隔t₂-t₁为输入参数，调用水平方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，返回水平方向穿入、穿出安全间隔时间区间[t′_in，t′_out],对时间区间[t′_in，t′_out]叠加初始时间t₁后，返回该目标航空器穿入冲突危险区域、穿出冲突危险区域的时间区间[t_in,t_out]的值为[t′_in+t₁,t′_out+t₁]。

图5为垂直方向穿入、穿出冲突危险区域的计算流程图。

本实施例中，垂直方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，获取垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]，包括：

输入所述大型无人机和目标航空器某时刻的垂直相对位置s_{z_ver}和垂直相对速度v_{z_ver}，本机参数配置模块配置的垂直方向安全间隔距离阈值ZTHR和时间阈值TCOA，以及入侵检测时间区间[B,T]；

若垂直相对速度v_{z_ver}为0，且垂直相对位置s_{z_ver}小于或等于间隔阈值ZTHR，则在时间区间[B,T]内均处于安全间隔入侵状态，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[B,T]；

若垂直相对速度v_{z_ver}为0，且垂直相对位置s_z大于间隔阈值ZTHR，则在时间区间[B,T]内不会发生安全间隔入侵事件，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[T,B]；

若目标航空器与所述大型无人机之间存在垂直相对速度，计算并返回垂直方向出现安全间隔入侵的最早时间t_{in_ver}和最晚时间t_{out_ver}；其中，

若计算得到的垂直方向出现安全间隔入侵的最早时间t_{in_ver}大于T，或垂直方向出现安全间隔入侵的最晚时间t_{out_ver}小于B，说明返回的安全间隔入侵区间不在[B,T]范围内，判断垂直方向在[B,T]内不会发生安全间隔入侵事件，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[T,B]；否则取[t_{in_ver},t_{out_ver}]和[B,T]的交集作为垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值，该值即为垂直方向安全间隔入侵时间区间。

图6为水平方向穿入、穿出冲突危险区域的计算流程图。

水平方向穿入、穿出冲突危险区域预判逻辑单元，获取水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]，包括：

输入所述大型无人机和目标航空器某时刻的水平相对位置s_hri、水平相对速度v_hri、本机参数配置模块配置的水平方向安全间隔距离阈值DMOD和时间阈值TAUMOD，以及从该时刻起的入侵检测时长T；

若水平相对速度v_hri为0，且水平相对位置距离‖s_hri‖小于或等于水平方向安全间隔距离阈值DMOD，则判断所述大型无人机在该具体时刻起的时长T内均处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[0,T]；

若水平相对速度v_hri不为0，且水平相对位置距离‖s_hri‖小于或等于水平方向安全间隔距离阈值DMOD，则判断所述大型无人机在时长T和水平方向安全间隔穿出时间θ两者的较小值内处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[0，min(T,θ)]]，其中，

v_hri ^⊥为与该水平相对速度v_hri垂直的矢量；

若水平相对位置距离‖s_hri‖大于水平方向安全间隔阈值DMOD，且水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}无解，则判断所述大型无人机在时长T内不会处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[T,0]，其中，

其中，a＝v_hri ²，b＝2(s_hri·v_hri)+TAUMOD·v_hri ²，

c＝s_hri ²+TAUMOD(s_hri·v_hri)-DMOD²；

若水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}小于时长T，则返回水平方向安全间隔入侵时间区间

若水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}大于或等于时长T，则在时长T内不会处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[T,0]。

本实施例中，返回的区间是一个区间范围，以[a,b]为例，若a≤b，说明该区间是一个有效区间，则在该有效区间内，存在冲突，若a>b，说明该区间是一个无效区间，则不存在冲突。

本实施例中，基于双方航空器的线性轨迹外推估计进行入侵判断。

本实施例中，告警阈值参数是多级告警子模块进行告警判断的输入参数。进一步地，所述告警阈值定义为入侵航空器距离到达该大型无人机安全间隔穿入点的时间。

所述多级告警模块用于获取所述安全间隔入侵检测模块的计算结果，进行矫正型、警告型、安全间隔入侵三类告警，包括：

所述矫正型、警告型告警分别设置矫正型告警时间阈值、警告型告警时间阈值。矫正型、警告型告警的目的是提前引起注意或采取措施，避免发生安全间隔入侵事件，告警均以距离到达“入侵安全间隔”的剩余时间定义告警发起时间阈值，不同告警等级的划分表达了距离穿透安全间隔的时间的紧迫性差异，即所面临危险的等级。

矫正型告警是无人机驾驶员开始实施安全间隔保持机动决策的最早时间点，是提示级别的告警，它的目的是提醒无人机驾驶员可能需要进行机动避让操作，并为其预留一定的时间进行形式评估以及实现与管制员的预先协同。在发出矫正型告警的同时，感知避让系统给出决策建议，提示无人机驾驶员可能发生碰撞的机动操作区域和能够避开碰撞的机动操作区域，辅助无人机驾驶员进行决策。

警告型告警通常在矫正型告警之后发出(除外某些比较特殊的相遇几何关系)，是警告级别的告警。警告型告警离入侵航空器穿透安全间隔、进入危险区域的时间非常有限，它的目的是告知无人机驾驶员必须立即采取行动以保持安全间隔。在发出警告型告警的同时，感知避让系统给出决策建议，提示无人机驾驶员可能发生碰撞的机动操作区域和能够避开碰撞的机动操作区域，辅助无人机驾驶员进行决策。

安全间隔入侵告警是指入侵航空器在穿透无人机安全间隔定义所形成的虚拟包络，进入无人机周围危险区域时刻发生的告警，在这种告警下，无人机驾驶员必须立即采取行动，操作无人机机动避让，以恢复无人机与入侵航空器之间的安全间隔。

所述间隔保持与避让决策模块基于所述数据获取模块获取的数据，为所述大型无人机在水平速度、航向、垂直速度和垂直高度提供决策建议，包括：

以所述大型无人机为中心，计算生成所述大型无人机与多个目标航空器之间将发生安全间隔入侵的决策带，所述决策带包括安全间隔入侵决策带和安全间隔恢复决策带；所述安全间隔入侵决策带与告警级别具有对应关系，每个安全间隔入侵决策带对应于进入与其对应的告警级别的冲突危险区域的无人机操作参数范围和/或垂直参数，所述操作参数包括速度和/或航向角，所述垂直参数包括高度和/或爬升率，若在安全间隔入侵决策带对应的人机操作参数范围和/或垂直参数内操控无人机飞行，将发生安全间隔入侵；当所有操作都不能避免发生安全间隔入侵时，计算安全间隔恢复决策带，为入侵的航空器退出冲突危险区域、恢复安全间隔提供决策建议。

本实施例中，间隔保持与避让决策模块根据所述大型无人机与目标航空器之间的位置变化持续更新决策指导信息，以辅助无人机驾驶员在无人机飞行操作过程中，在本机允许的性能范围内保持或及时恢复飞行器之间的安全间隔。

本实施例中，提供的决策带类型如下表1所示，其中，HS-MID-BAND表示在矫正型告警下给出的该大型无人机发生安全间隔入侵的水平速度范围。

表1 自主间隔保持与避让决策带类型

进一步地，生成无人机水平速度、航向、垂直速度和垂直高度四个方面的决策，对于每个发生告警的入侵航空器，在更新与本机的相对位置速度信息后，生成本机与该入侵者之间的安全间隔入侵决策带，加入本机的决策带表中，各决策带的并集为本机与多机间的安全间隔入侵决策带。

本实施例中，以本机为中心，使用决策带生成函数GenericBands生成本机与多机之间将发生安全间隔入侵的决策带，如图7所示。可以分别生成无人机水平速度、航向、垂直速度和垂直高度四个方面的决策，通过将本函数输入(cval、min、max、step、accel)设定为该类决策的特定值。对于每个发生告警的入侵航空器，在更新与本机的相对位置速度信息后，调用“本机-入侵者”决策带统计函数GenericBands_1×1生成本机与该入侵者之间的安全间隔入侵决策带，加入本机的决策带表中，各决策带的并集为本机与多机间的安全间隔入侵决策带。随时间推进不断刷新航空器位置速度关系和决策范围，实现实时动态决策。

决策带统计函数GenericBands_1×1为“本机-入侵者”之间的安全间隔入侵决策带生成通用函数，该函数采用步进方式搜索所有本机性能操作允许范围内的决策，生成一个使本机和入侵航空器在[B,T]时间段内发生安全间隔入侵的决策带列表Bands，其流程如图8所示。

其实施方式包括：

输入所述大型无人机的当前决策值cval，本机性能约束下的最小、最大决策值min、max，本机恒定加速度accel，决策搜索步进值step，水平方向安全间隔距离门限DMOD，垂直方向安全间隔距离门限ZTHR，入侵决策时间区间[B,T]；

根据决策搜索步进值step和本机恒定加速度accel，计算决策搜索步进时间值tstep；设决策搜索值val的初始值为当前决策值cval；

以step为决策步进值，从当前决策值cval向最大决策值max搜索，并以tstep为时间步进值搜索到时长T，返回正向决策带，所述正向决策带为[cval,max]范围内的决策带；对于搜索过程中的每一个时刻t,根据加速度推定t时刻所属无人机与目标航空器的相对位置(s′,s′_z)和相对速度(v′,v′_z)，推定方法能够采取匀加速外推或基于意图数据校正的外推；若时刻t小于入侵决策起始时间B，且两机的水平、垂直距离已在水平方向、垂直方向安全间隔距离门限内，从时刻t的决策值到最大决策值max都属于正向决策带；若时刻t大于入侵决策起始时间B，且经安全间隔入侵判断子模块判断已发生安全间隔入侵，则从时刻t的决策值到最大决策值max都属于正向决策带；否则，若时刻t大于入侵决策起始时间B，且安全间隔入侵预判子模块从[0，T-t]时间返回的时间区间不为空，则将t时刻对应的决策步进搜索带[val,val+step]纳入正向决策带；

以step为决策步进值，从当前决策值cval向最小决策值min搜索，并以tstep为时间步进值搜索到时长T，返回负向决策带，即[min,val]范围内的决策带；对于搜索过程中的每一个时刻t,位置和速度推定过程与步骤S803类似，若时刻t小于入侵决策起始时间B，且两机的水平、垂直距离已在水平方向、垂直方向安全间隔距离门限内，从最小决策值到时刻t的决策值都属于负向决策带；若时刻t大于入侵决策起始时间B，且经安全间隔入侵判断子模块判断已发生安全间隔入侵，则从最小决策值到时刻t的决策值都属于负向决策带；否则，若时刻t大于入侵决策起始时间B，且安全间隔入侵预判子模块从[0，T-t]时间返回的时间区间不为空，则将t时刻对应的决策步进搜索带[val-step,val]纳入负向决策带。

为了能够生成安全间隔恢复决策带，需要调用恢复带统计函数RecoveryBands，如图9所示，恢复带统计函数RecoveryBand在GenericBands的基础上实现，其目的是当判断入侵者不可避免突破安全间隔阈值的情况下(无法给出可行的、不突破安全间隔的决策操作)，给出一个决策范围值，使入侵者能够恢复安全间隔。算法输入包括本机状态信息ownship、入侵航空器状态信息traffic、预测时间T、当本机决策cval、本机可行决策区间[min,max],决策步进值step，决策加速度accel、水平距离阈值D和垂直阈值H，以及位置函数Pos和速度函数Vel。

本发明实施例进一步给出一种大型无人机冲突检测与避让决策装置的使用方法，其包括如前所述的大型无人机冲突检测与避让决策装置，使用方法包括：

获取大型无人机的数据，确定目标航空器，确定所述目标航空器的数据，将所述大型无人机的数据及所述目标航空器的数据传送给大型无人机冲突检测与避让决策装置。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装Windows或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种大型无人机冲突检测与避让决策装置，其特征在于，所述大型无人机冲突检测与避让决策装置包括数据获取模块、本机参数配置模块、冲突检测与避让模块和显示模块；

所述数据获取模块获取本机信息、目标航空器信息；所述本机信息包括该大型无人机的位置速度信息和该大型无人机的性能约束信息，所述位置速度信息包括该大型无人机所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；该大型无人机的性能约束信息包括该大型无人机的最大转弯率、最小和/或最大水平速率、最大水平加速度、最小垂直速率和最大垂直加速度；所述目标航空器指待检测的航空器，所述目标航空器信息包括该目标航空器的位置速度信息，包括所述目标航空器所处的经度、纬度、高度、地速、地面航迹角和垂直速度；

所述本机参数配置模块用于配置该大型无人机的本机性能约束、安全间隔阈值参数及告警阈值参数；安全间隔是以大型无人机为中心定义的，以预设水平方向和垂直方向的距离、时间为基准的，标识目标航空器与无人机之间的一个冲突危险区域的范围；所述安全间隔阈值参数包括该大型无人机与目标航空器在水平方向的时间和/或距离阈值、以及垂直方向的时间和/或距离阈值，用于度量该大型无人机与目标航空器之间是否存在冲突危险；告警阈值是在不同告警级别下，触发进行相应级别的告警的阈值；所述告警阈值参数包括若干以时间度量的、用于表达与冲突危险区域边界距离的时间阈值；

所述冲突检测与避让模块包括安全间隔入侵检测模块、多级告警模块及间隔保持与避让决策模块；

所述安全间隔入侵检测模块根据获取的本机信息、目标航空器信息，通过计算，判断目标航空器是否已经入侵、对目标航空器是否有入侵趋势进行预判；

所述多级告警模块用于获取所述安全间隔入侵检测模块的计算结果，进行矫正型、警告型、安全间隔入侵三类告警；

所述间隔保持与避让决策模块基于所述数据获取模块获取的数据，为所述大型无人机在水平速度、航向、垂直速度和垂直高度提供决策建议；

所述显示模块用于接收并显示告警信息、决策建议；

所述安全间隔入侵检测模块包括安全间隔入侵判断子模块和安全间隔入侵预判子模块；

所述安全间隔入侵判断子模块获取本机信息、目标航空器信息，在以本机为原点的三维欧式相对坐标系中，计算本机与目标航空器的水平相对位置矢量s＝s_o-s_i，其中，s_o为目标航空器的水平位置，s_i为本机的水平位置；垂直相对位置变量s_z＝s_oz-s_iz，其中，s_oz为目标航空器的垂直位置，s_iz为本机的垂直位置；水平相对速度矢量v＝v_o-v_i，其中，v_o为目标航空器的水平速度，v_i为本机的水平速度，垂直相对速度变量v_z＝v_oz-v_iz，其中，v_oz为目标航空器的垂直速度，v_iz为本机的垂直速度；根据由本机参数配置模块配置的DMOD、TAUMOD、ZTHR和TCOA四个门限值限定的冲突危险区域，判断该大型无人机与目标航空器是否发生安全间隔入侵事件；其中，DMOD为水平方向距离间隔阈值，TAUMOD为水平方向时间间隔阈值，ZTHR为垂直方向距离间隔阈值，TCOA为垂直方向时间间隔阈值；

所述安全间隔入侵预判子模块以所述大型无人机与所述目标航空器的水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入，预计该目标航空器穿入冲突危险区域时间t_in、穿出冲突危险区域时间t_out，返回时间区间[t_in,t_out]；判断目标航空器未来是否进入该大型无人机的冲突危险区域，其中，B表示探测开始时间，T表示探测结束时间；

所述安全间隔入侵预判子模块以所述大型无人机与所述目标航空器的水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入，预计该目标航空器穿入冲突危险区域时间t_in、穿出冲突危险区域时间t_out，返回时间区间[t_in,t_out]；判断目标航空器未来是否进入该大型无人机的冲突危险区域，包括：

以大型无人机与所述目标航空器当前水平相对位置矢量s、垂直相对位置变量s_z、水平相对速度矢量v、垂直相对速度变量v_z和预设探测时间间隔区间[B，T]为输入参数；调用垂直方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，获取垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]；

若t₁>t₂，说明垂直方向在[B,T]时间内不会发生安全间隔入侵，因而判断不会发生安全间隔入侵事件，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[T,B]；

若t₁＝t₂，说明垂直方向切过危险区域，则调用水平方向穿入、穿出冲突危险区域预判逻辑单元，获取水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]，判断t₁时刻是否处于水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]内，若是，则判断t₁瞬间为安全间隔入侵状态，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[t₁,t₁]，若否，判断不会发生安全间隔入侵事件，返回时间区间[t_in,t_out]的值为[T,B]；

若t₁＜t₂,以水平方向相对初始位置s+t₁·v、水平相对速度矢量v、预判时间间隔t₂-t₁为输入参数，调用水平方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，返回水平方向穿入、穿出安全间隔时间区间[t′_in，t′_out],对时间区间[t′_in，t′_out]叠加t₁后，返回该目标航空器穿入冲突危险区域、穿出冲突危险区域的时间区间[t_in,t_out]的值为[t′_in+t₁,t′_out+t₁]；

垂直方向穿入、穿出冲突危险区预判逻辑单元，获取垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]，包括：

输入所述大型无人机和目标航空器某时刻的垂直相对位置s_{z_ver}和垂直相对速度v_{z_ver}，本机参数配置模块配置的垂直方向安全间隔距离阈值ZTHR和时间阈值TCOA，以及预设探测时间间隔区间[B,T]；

若垂直相对速度v_{z_ver}为0，且垂直相对位置s_{z_ver}小于或等于间隔阈值ZTHR，则在预设探测时间间隔区间[B,T]内均处于安全间隔入侵状态，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[B,T]；

若垂直相对速度v_{z_ver}为0，且垂直相对位置s_z大于间隔阈值ZTHR，则在预设探测时间间隔区间[B,T]内不会发生安全间隔入侵事件，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[T,B]；

若目标航空器与所述大型无人机之间存在垂直相对速度，计算并返回垂直方向出现安全间隔入侵的最早时间t_{in_ver}和最晚时间t_{out_ver}；其中，

若计算得到的垂直方向出现安全间隔入侵的最早时间t_{in_ver}大于T，或垂直方向出现安全间隔入侵的最晚时间t_{out_ver}小于B，说明返回的安全间隔入侵区间不在[B,T]范围内，判断垂直方向在[B,T]内不会发生安全间隔入侵事件，返回垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值为[T,B]；否则取[t_{in_ver},t_{out_ver}]和[B,T]的交集作为垂直方向冲突预判时间范围[t₁,t₂]的值，该值即为垂直方向安全间隔入侵时间区间；

水平方向穿入、穿出冲突危险区域预判逻辑单元，获取水平方向冲突预判时间范围[t’₁,t’₂]，包括：

输入所述大型无人机和目标航空器某时刻的水平相对位置s_hri、水平相对速度v_hri、本机参数配置模块配置的水平方向安全间隔距离阈值DMOD和时间阈值TAUMOD，以及需探测时间范围；

若水平相对速度v_hri为0，且水平相对位置距离‖s_hri‖小于或等于水平方向安全间隔距离阈值DMOD，则判断所述大型无人机在需探测时间范围内均处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[0,T]；

若水平相对速度v_hri不为0，且水平相对位置距离‖s_hri‖小于或等于水平方向安全间隔距离阈值DMOD，则判断所述大型无人机在需探测时间范围和水平方向安全间隔穿出时间θ两者的较小值内处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[0，min(T,θ)]]，其中，

v_hri ^⊥为与该水平相对速度v_hri垂直的矢量；

若水平相对位置距离‖s_hri‖大于水平方向安全间隔阈值DMOD，且水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}无解，则判断所述大型无人机在需探测时间范围内不会处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[T,0]，其中，

其中，a＝v_hri ²，b＝2(s_hri·v_hri)+TAUMOD·v_hri ²，

c＝s_hri ²+TAUMOD(s_hri·v_hri)-DMOD²；

若水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}小于需探测时间范围，则返回水平方向安全间隔入侵时间区间[max(0,t_{in_ver}),min(T,θ)]；若水平方向穿入安全间隔时间t_{in_ver}大于或等于需探测时间范围，则在需探测时间范围内不会处于安全间隔入侵状态，返回时间区间[T,0]。

2.如权利要求1所述的大型无人机冲突检测与避让决策装置，其特征在于，所述本机信息还包括该大型无人机的未来一段时长内的飞行意图信息；入侵航空器信息还包括该入侵航空器的未来一段时长内的飞行意图信息。

3.一种大型无人机冲突检测与避让决策装置的使用方法，其包括如权利要求1-2中任一项所述的大型无人机冲突检测与避让决策装置，使用方法包括：

获取大型无人机的数据，确定目标航空器，确定所述目标航空器的数据，将所述大型无人机的数据及所述目标航空器的数据传送给大型无人机冲突检测与避让决策装置。

4.一种大型无人机冲突检测与避让决策系统，其特征在于，包括：

处理器，用于执行多条指令；

存储器，用于存储多条指令；

其中，所述多条指令，用于由所述存储器存储，并由所述处理器加载并执行如权利要求3所述的大型无人机冲突检测与避让决策装置的使用方法。

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