CN113848981B - 一种无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

一种无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法。其包括确定偏航位置；计算X轴和Y轴偏差；建立自动飞行器的航迹保护区截面形状及大小及长度；获得拓展航迹保护区的截面；判定在是否可能出现碰撞；采取不同措施来防止不同自动飞行器产生碰撞等步骤。本发明效果：能有效避免人员伤亡、设备损失等重大生命财产损失；采用划定“航线保护区”的方法，确定了飞行器在特定位置、特定时刻的安全区域，这一区域既确保安全，又随时空转移，是对飞行空间的有效利用；可根据高低位置错开“航线保护区”，对原有航线修改程度很小，这种设计既能做到效率最高，又能做到最节省能耗。

Description

一种无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法

技术领域

本发明属于航空技术领域，特别是涉及一种无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法。

背景技术

现在普遍用于载人或载货的是有人驾驶的飞行器，技术比较成熟，但是有人驾驶的飞行器使用成本较高，对驾驶员的飞行技能要求也很高，因此如果能用无人驾驶飞行器代替现有飞行器，将使飞行更加便利，不受人员约束，而且也可大大降低成本。

随着传感器技术和飞行控制技术的发展，无人驾驶的自动飞行器开始出现并使用。无人驾驶的自动飞行器是一种在空中飞行过程中不需人为操作控制航迹、速度，而能自动控制飞行过程的自动飞行器。在空中飞行过程中，由于自动飞行器是自动驾驶，并且其航迹已经由自动飞行器飞行控制系统通过计算设定好，自动飞行器按该航迹飞行。最常见于小型无人机。未来随着大型无人机的兴起，需要运载大型、贵重货物，甚至运载乘客。但在实际飞行过程中，自动飞行器总会产生一些偏差，导致其在空间上所处的实际位置与设定航迹上所处的“计划位置”存在偏差，特别是随着空中自动飞行器数量的增多，这样就可能导致一架以上的自动飞行器在飞行过程中产生碰撞，从而造成人员伤亡、设备损失，但目前尚未发现有效的防碰撞方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法。

为了达到上述目的，本发明提供的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)建立坐标系并确定自动飞行器在上述坐标系中的偏航位置；

2)根据偏航位置计算出自动飞行器在上述坐标系中的X轴和Y轴偏差；

3)基于上述X轴和Y轴偏差和自动飞行器的航迹建立自动飞行器的航迹保护区截面形状及大小；

4)根据自动飞行器的当前速度设定上述航迹保护区的长度；

5)根据自动飞行器的体积将上述航迹保护区进行拓展，获得拓展航迹保护区的截面；

6)所有自动飞行器通过通讯获知其它自动飞行器的航迹，如果不同自动飞行器在同一时刻同一空域中出现航迹即拓展航迹保护区重叠的情况，判定为在某一点可能出现碰撞；

7)采取不同的措施来防止不同自动飞行器产生碰撞。

在步骤1)中，所述建立坐标系并确定自动飞行器在上述坐标系中的偏航位置的方法是：

首先假设自动飞行器为一个质点；然后在自动飞行器航迹的垂直面上建立用于确定自动飞行器偏航位置的坐标系，该坐标系以自动飞行器飞行控制系统计算的计划位置作为原点，以通过原点指向地心的地垂线在此垂直面上的投影作为Y轴，在与Y轴垂直的方向上设立X轴，并选择指向偏东方的方向作为X轴的方向；将自动飞行器所处的实际位置在上述坐标系中的投影称为偏航位置。

在步骤2)中，所述根据偏航位置计算出自动飞行器在上述坐标系中的X轴和Y轴偏差的方法是：

设偏航位置到X轴间的直线距离为X轴偏差ΔX，到Y轴间的直线距离为Y轴偏差ΔY；X轴偏差其中ΔX₁为机载设备在X轴方向造成的偏差，ΔX₂为飞行技术在X轴方向造成的偏差，ΔX₃为自动飞行器飞行控制系统计算在X轴方向造成的偏差；Y轴偏差ΔY的计算方法相同。

在步骤3)中，所述基于上述X轴和Y轴偏差和自动飞行器的航迹建立自动飞行器的航迹保护区截面形状及大小的方法是：

将以自动飞行器的航迹作为中心点，截面为矩形，矩形的两个边长分别为6倍的X轴偏差ΔX和Y轴偏差ΔY的管道状区域作为航迹保护区。

在步骤4)中，所述根据自动飞行器的当前速度设定上述航迹保护区的长度的方法是：

航迹保护区的长度L即为自动飞行器飞过的一段航行长度，设自动飞行器的当前速度为V，则航迹保护区的长度L设定为自动飞行器已经飞过的5秒的距离和即将飞过的5秒的距离之和，公式为L＝V×5+V×5＝10V。

在步骤5)中，所述根据自动飞行器的体积将上述航迹保护区进行拓展，获得拓展航迹保护区的方法是：

由于实际的自动飞行器不是一个质点，因此在实际设置航迹保护区时，将自动飞行器的体积设定为一个立方体，然后沿自动飞行器的航迹方向的垂直面截取该立方体而得到一个自动飞行器界面矩形，之后从自动飞行器界面矩形的边缘向外拓展航迹保护区，获得拓展航迹保护区；拓展航迹保护区的横截面积是从该自动飞行器界面矩形的顶边、底面开始分别向外延展3倍的Y轴偏差ΔY的距离，同时从两个侧边开始分别向外延展3倍的X轴偏差ΔX的距离。

在步骤7)中，所述采取不同的措施来防止不同自动飞行器产生碰撞的方法是：

7.1)如果通过通讯获知在同一时刻同一空域中自动飞行器A和自动飞行器B将要产生碰撞时，假设自动飞行器A的标准气压高度为H1，自动飞行器B的标准气压高度为H2，如果H2＞H1，则自动飞行器A向下飞行20米，即标准气压高度下降20米，使自身的拓展航迹保护区向下移动，同时自动飞行器B向上飞行20米，即标准气压高度上升20米，使自身的拓展航迹保护区向上移动，这时自动飞行器B的拓展航迹保护区的下边缘与自动飞行器A的拓展航迹保护区的上边缘间的距离至少为40米，由此避开可能的碰撞点；

7.2)待自动飞行器A和自动飞行器B越过可能的碰撞点后，自动回到各自的原定航迹，也就是原来下降的自动飞行器A再上升20米，原来上升的自动飞行器B再下降20米，继续后面的飞行；

7.3)如果经过计算，发现上升或下降的自动飞行器可能会与其他自动飞行器产生碰撞时，则使该自动飞行器保持原航迹不动，另一自动飞行器向上或向下飞行40米，由此避开可能的碰撞点；待越过可能的碰撞点后，上升或下降的自动飞行器再下降或上升飞行40米，自动回到原定航迹上，继续后面的飞行；

7.4)如果经过计算，发现上升和下降的自动飞行器可能都会与其他自动飞行器产生碰撞时，则自动飞行器A和自动飞行器B均不改变航迹，而是自动飞行器A降低速度，自动飞行器B增加速度，以确保自动飞行器B与自动飞行器A在同一水平面上拓展航迹保护区的边缘距离至少达到100米以上，待渡过可能的碰撞点后，两架自动飞行器再自动恢复到原来的速度，继续后面的飞行。

本发明提供的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法具有如下有益效果：

1、能有效避免人员伤亡、设备损失等重大生命财产损失；

2、采用划定“航线保护区”的方法，确定了飞行器在特定位置、特定时刻的安全区域，这一区域既确保安全，又随时空转移，是对飞行空间的有效利用；

3、可根据高低位置错开“航线保护区”，对原有航线修改程度很小，这种设计既能做到效率最高，又能做到最节省能耗；

4、对于小概率的、无法采用高低错开的方式避碰时，采用保持原航线而减速的方式避碰，而不是采取横向位移，是因为未来对航空器安排航线，在同一条航线上的飞行器概率偏小，而且相隔距离一般也会偏大，但是在航空器周围的水平空域上安排其他航空器的概率较大，因此通过减速的设计，可以尽量减少对周围航空器飞行的影响，减小整个空中交通控制网络的计算量；

5、当渡过潜在的碰撞区域，各个飞行器还要回到原设定的航线，这是为了在未来统一的空中交通管理网络中，能够尽可能减小系统中各个变量的较大变化，使整个网络的控制计算量减少，便于网络更安全更高效的控制。

附图说明

图1为本发明中建立的坐标系及偏航位置、偏差示意图。

图2为本发明中建立自动飞行器的航迹保护区过程示意图。

图3为本发明中设定航迹保护区的长度过程示意图。

图4为本发明中拓展航迹保护区示意图

图5为本发明中两架自动飞行器的拓展航迹保护区出现重叠情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)建立坐标系并确定自动飞行器在上述坐标系中的偏航位置；

首先假设自动飞行器为一个质点；然后在自动飞行器航迹的垂直面上建立如图1所示的用于确定自动飞行器偏航位置的坐标系，该坐标系以自动飞行器飞行控制系统计算的计划位置作为原点，以通过原点指向地心的地垂线在此垂直面上的投影作为Y轴，在与Y轴垂直的方向上设立X轴，并选择指向偏东方的方向作为X轴的方向；将自动飞行器所处的实际位置在上述坐标系中的投影称为偏航位置；

2)根据偏航位置计算出自动飞行器在上述坐标系中的X轴和Y轴偏差；

设偏航位置到X轴间的直线距离为X轴偏差ΔX，到Y轴间的直线距离为Y轴偏差ΔY；上述偏差的产生来源于三个因素：机载设备、飞行技术和自动飞行器飞行控制系统计算。偏差由上述三个因素的平方和再取方根得到，X轴偏差其中ΔX₁为机载设备在X轴方向造成的偏差，ΔX₂为飞行技术在X轴方向造成的偏差，ΔX₃为自动飞行器飞行控制系统计算在X轴方向造成的偏差；Y轴偏差ΔY的计算方法相同。

3)基于上述X轴和Y轴偏差和自动飞行器的航迹建立自动飞行器的航迹保护区截面形状及大小；

为了确保航行安全，如图2所示，将以自动飞行器的航迹作为中心点，截面为矩形，矩形的两个边长分别为6倍的X轴偏差ΔX和Y轴偏差ΔY的管道状区域作为航迹保护区。

4)根据自动飞行器的当前速度设定上述航迹保护区的长度；

航迹保护区的长度L即为自动飞行器飞过的一段航行长度，设自动飞行器的当前速度为V，则航迹保护区的长度L设定为自动飞行器已经飞过的5秒的距离和即将飞过的5秒的距离之和，公式为L＝V×5+V×5＝10V，如图3所示；

5)根据自动飞行器的体积将上述航迹保护区进行拓展，获得拓展航迹保护区；

由于实际的自动飞行器不是一个质点，因此在实际设置航迹保护区时，将自动飞行器的体积设定为一个立方体，然后沿自动飞行器的航迹方向的垂直面截取该立方体而得到一个自动飞行器界面矩形，之后从自动飞行器界面矩形的边缘向外拓展航迹保护区，获得如图4所示的拓展航迹保护区；拓展航迹保护区的横截面积是从该自动飞行器界面矩形的顶边、底面开始分别向外延展3倍的Y轴偏差ΔY的距离，同时从两个侧边开始分别向外延展3倍的X轴偏差ΔX的距离。图4中的自动飞行器外型只是示例，实际自动飞行器可以为其他形状。

6)所有自动飞行器通过通讯获知其它自动飞行器的航迹，如果不同自动飞行器在同一时刻同一空域中出现航迹即拓展航迹保护区重叠的情况，判定为在某一点可能出现碰撞；

自动飞行器在自主规划的航迹上飞行时，可以通过两种途径获知其他自动飞行器的航迹，以及是否可能与本自动飞行器在航迹上的某一点产生碰撞：

一、所有自动飞行器将自主规划的航迹发送到负责控制整个飞行空域的空中交通控制网络，该网络能够提前获知各自动飞行器的航迹，也就能获知不同的自动飞行器在同一时间将要出现在同一空域中的同一个地点，即不同自动飞行器在同一时刻同一空域中会出现拓展航迹保护区重叠的情况，如图5所示，因此就能提前获得碰撞信息，并传送给将要产生碰撞的自动飞行器。

二、如果飞行空域内没有空中交通控制网络，或该网络不具备预测功能，自动飞行器能够不断地广播出本身的高度、速度、航迹等信息，并被其他自动飞行器接收，自动飞行器上的计算装置能够计算出与其他自动飞行器存在碰撞的可能性，以便采取防碰撞措施。

7)采取不同的措施来防止不同自动飞行器产生碰撞；

7.1)如果通过通讯获知在同一时刻同一空域中自动飞行器A和自动飞行器B将要产生碰撞时，假设自动飞行器A的标准气压高度为H1，自动飞行器B的标准气压高度为H2，如果H2＞H1，则自动飞行器A向下飞行20米，即标准气压高度下降20米，使自身的拓展航迹保护区向下移动，同时自动飞行器B向上飞行20米，即标准气压高度上升20米，使自身的拓展航迹保护区向上移动，这时自动飞行器B的拓展航迹保护区的下边缘与自动飞行器A的拓展航迹保护区的上边缘间的距离至少为40米，由此避开可能的碰撞点；

7.2)待自动飞行器A和自动飞行器B越过可能的碰撞点后，自动回到各自的原定航迹，也就是原来下降的自动飞行器A再上升20米，原来上升的自动飞行器B再下降20米，继续后面的飞行；

7.3)如果经过计算，发现上升或下降的自动飞行器可能会与其他自动飞行器产生碰撞时，则使该自动飞行器保持原航迹不动，另一自动飞行器向上或向下飞行40米，由此避开可能的碰撞点；待越过可能的碰撞点后，上升或下降的自动飞行器再下降或上升飞行40米，自动回到原定航迹上，继续后面的飞行；

7.4)如果经过计算，发现上升和下降的自动飞行器可能都会与其他自动飞行器产生碰撞时，则自动飞行器A和自动飞行器B均不改变航迹，而是自动飞行器A降低速度，自动飞行器B增加速度，以确保自动飞行器B与自动飞行器A在同一水平面上拓展航迹保护区的边缘距离至少达到100米以上，待渡过可能的碰撞点后，两架自动飞行器再自动恢复到原来的速度，继续后面的飞行。

Claims (5)

1.一种无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法，其特征在于：所述无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)建立坐标系并确定自动飞行器在上述坐标系中的偏航位置；

2)根据偏航位置计算出自动飞行器在上述坐标系中的X轴和Y轴偏差；

3)基于上述X轴和Y轴偏差和自动飞行器的航迹建立自动飞行器的航迹保护区截面形状及大小；

4)根据自动飞行器的当前速度设定上述航迹保护区的长度；

5)根据自动飞行器的体积将上述航迹保护区进行拓展，获得拓展航迹保护区的截面；

6)所有自动飞行器通过通讯获知其它自动飞行器的航迹，如果不同自动飞行器在同一时刻同一空域中出现航迹即拓展航迹保护区重叠的情况，判定为在某一点可能出现碰撞；

7)采取不同的措施来防止不同自动飞行器产生碰撞；

在步骤3)中，所述基于上述X轴和Y轴偏差和自动飞行器的航迹建立自动飞行器的航迹保护区截面形状及大小的方法是：

将以自动飞行器的航迹作为中心点，截面为矩形，矩形的两个边长分别为6倍的X轴偏差ΔX和Y轴偏差ΔY的管道状区域作为航迹保护区；

在步骤4)中，所述根据自动飞行器的当前速度设定上述航迹保护区的长度的方法是：

航迹保护区的长度L即为自动飞行器飞过的一段航行长度，设自动飞行器的当前速度为V，则航迹保护区的长度L设定为自动飞行器已经飞过的5秒的距离和即将飞过的5秒的距离之和，公式为L＝V×5+V×5＝10V。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法，其特征在于：在步骤1)中，所述建立坐标系并确定自动飞行器在上述坐标系中的偏航位置的方法是：

首先假设自动飞行器为一个质点；然后在自动飞行器航迹的垂直面上建立用于确定自动飞行器偏航位置的坐标系，该坐标系以自动飞行器飞行控制系统计算的计划位置作为原点，以通过原点指向地心的地垂线在此垂直面上的投影作为Y轴，在与Y轴垂直的方向上设立X轴，并选择指向偏东方的方向作为X轴的方向；将自动飞行器所处的实际位置在上述坐标系中的投影称为偏航位置。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法，其特征在于：在步骤2)中，所述根据偏航位置计算出自动飞行器在上述坐标系中的X轴和Y轴偏差的方法是：

设偏航位置到X轴间的直线距离为X轴偏差ΔX，到Y轴间的直线距离为Y轴偏差ΔY；X轴偏差其中ΔX₁为机载设备在X轴方向造成的偏差，ΔX₂为飞行技术在X轴方向造成的偏差，ΔX₃为自动飞行器飞行控制系统计算在X轴方向造成的偏差；Y轴偏差ΔY的计算方法相同。

4.根据权利要求1所述的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法，其特征在于：在步骤5)中，所述根据自动飞行器的体积将上述航迹保护区进行拓展，获得拓展航迹保护区的方法是：

由于实际的自动飞行器不是一个质点，因此在实际设置航迹保护区时，将自动飞行器的体积设定为一个立方体，然后沿自动飞行器的航迹方向的垂直面截取该立方体而得到一个自动飞行器界面矩形，之后从自动飞行器界面矩形的边缘向外拓展航迹保护区，获得拓展航迹保护区；拓展航迹保护区的横截面积是从该自动飞行器界面矩形的顶边、底面开始分别向外延展3倍的Y轴偏差ΔY的距离，同时从两个侧边开始分别向外延展3倍的X轴偏差ΔX的距离。

5.根据权利要求1所述的无人驾驶的自动飞行器空中防碰撞方法，其特征在于：在步骤7)中，所述采取不同的措施来防止不同自动飞行器产生碰撞的方法是：

7.1)如果通过通讯获知在同一时刻同一空域中自动飞行器A和自动飞行器B将要产生碰撞时，假设自动飞行器A的标准气压高度为H1，自动飞行器B的标准气压高度为H2，如果H2＞H1，则自动飞行器A向下飞行20米，即标准气压高度下降20米，使自身的拓展航迹保护区向下移动，同时自动飞行器B向上飞行20米，即标准气压高度上升20米，使自身的拓展航迹保护区向上移动，这时自动飞行器B的拓展航迹保护区的下边缘与自动飞行器A的拓展航迹保护区的上边缘间的距离至少为40米，由此避开可能的碰撞点；

7.2)待自动飞行器A和自动飞行器B越过可能的碰撞点后，自动回到各自的原定航迹，也就是原来下降的自动飞行器A再上升20米，原来上升的自动飞行器B再下降20米，继续后面的飞行；

7.3)如果经过计算，发现上升或下降的自动飞行器可能会与其他自动飞行器产生碰撞时，则使该自动飞行器保持原航迹不动，另一自动飞行器向上或向下飞行40米，由此避开可能的碰撞点；待越过可能的碰撞点后，上升或下降的自动飞行器再下降或上升飞行40米，自动回到原定航迹上，继续后面的飞行；

7.4)如果经过计算，发现上升和下降的自动飞行器可能都会与其他自动飞行器产生碰撞时，则自动飞行器A和自动飞行器B均不改变航迹，而是自动飞行器A降低速度，自动飞行器B增加速度，以确保自动飞行器B与自动飞行器A在同一水平面上拓展航迹保护区的边缘距离至少达到100米以上，待渡过可能的碰撞点后，两架自动飞行器再自动恢复到原来的速度，继续后面的飞行。