CN114019999B - 一种无人机空中自动防撞方法及自动防撞系统 - Google Patents

一种无人机空中自动防撞方法及自动防撞系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无人机空中自动防撞方法。本发明提出的适用于无人机的空中自动防撞方法，将有人机空中防撞系统的思想引入其中，在产生告警指令后，将告警指令进行重新的处理和计算，送入无人机的飞行控制系统中，无人机执行该指令，完成对空中威胁的自动防撞。

Description

一种无人机空中自动防撞方法及自动防撞系统
技术领域
本发明属于无人机飞行管理技术，具体涉及一种无人机空中自动防撞方法。
背景技术
无人机系统技术得到了飞速发展和广泛的研究应用.随着军民领域对无人机的需求日益强烈以及空域的进一步开放,未来空域将日趋密集，呈现无人机、有人机空域共享的复杂空中交通态势。由于无人机系统在任务应用、操作方式等方面与现有的空中交通系统中的飞行器存在较大的差异，现有的空管体系下的空中交通安全保障技术难以确保大量无人机应用后的空域安全。无人机的操作方式决定其难以通过飞行员的看见并规避实现安全保障，而是必须具备自主的飞行空域的环境感知、碰撞威胁估计、规避路径规划与机动控制能力。
现有无人机系统特别是大中型无人机还是通过设立禁飞区，提前规划路径避开已知威胁和航路来提前规避实现自动飞行。
发明内容
本发明的目的：提出一种适用于无人机的空中自动防撞方法，将有人机空中防撞系统的思想引入其中，在产生告警指令后，将告警指令进行重新的处理和计算，送入无人机的飞行控制系统中，无人机执行该指令，完成对空中威胁的自动防撞。
本发明的技术方案：一方面，提供一种无人机空中自动防撞方法，所述方法包括：
利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知，生成交通咨询和解脱建议；
若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为控制指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度或/和航向作为控制指令；所述解脱建议包括垂直方向建议和水平方向建议；
将所述控制指令发送给飞控系统，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态或/和航向控制模态，进行对应的垂直速度控制或/和航向控制；
在本机退出解脱建议后，控制模态由垂直速度控制或/和航向控制切换回原控制模态。
进一步地，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知包括：
利用二次雷达主动问询空中其他载机上C、S模式应答机的应答，对应答信号使用各模式相应的译码器进行译码，得到入侵机的高度、高度变化率和身份信息；
通过测量询问信号发出到接收应答信号的时间间隔，计算出与入侵机之间的距离；
通过本机方向性天线的定向性，获得入侵机的方位信息；利用本机的机载传感器，获取本机的飞行参数。
进一步地，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知还包括：
根据计算得到的入侵机的点迹信息，对点迹信息进行过滤和融合，滤除多余和虚假的点迹，建立入侵机的航迹，转入对入侵机的跟踪；在跟踪过程中，通过跟踪滤波器对入侵机的航迹进行实时滤波，消除虚假航迹，形成可信的航迹；
点迹信息是指某一时刻入侵机的高度、高度变化率、身份信息、本机与入侵机之间的距离、与入侵机相对本机的方位。
进一步地，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知还包括：
利用所述可信的航迹，采用跟踪算法精确估计入侵机的位置和运动参数，并形成入侵机稳定的航迹；并根据入侵机到最接近点的预留时间来对入侵机进行威胁探测，得到入侵机与本机相遇的几何学形态；所述运动参数包括高度、高度变化率、本机与入侵机之间的距离和距离变化率。
进一步地，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知还包括：
根据入侵机与本机相遇的几何学形态，将入侵机的威胁分别归类为无威胁、接近威胁、TA威胁和RA威胁；针对RA威胁给出解脱建议，以采取相应的机动飞行措施，避免碰撞；针对TA威胁，生成交通咨询。
进一步地，当生成的解脱建议仅包括垂直方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为垂直速度指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度作为垂直速度指令；
利用垂直速度指令生成升降舵控制指令，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态；具体指令生成方法，如下所述：
其中：δa为升降舵控制指令、为垂直速度指令，q为俯仰角速率、/>为俯仰角速率指令、θg为俯仰角指令、/>为垂直速度、θ为俯仰角，/>为参数。
进一步地，当生成的解脱建议仅包括水平方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为航向指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的航向作为航向指令；
将所述航向指令发送给飞控系统，利用航向指令生成副翼指令，以将无人机控制模态切换为航向控制模态，进行航向控制；
具体指令生成方法，如下所述：
其中：δa为副翼控制指令、ψg为航向角指令、ψ为航向角、r为航向角速率、φg为滚转角指令、φ为滚转角、p为滚转角速率，为参数。
进一步地，当生成的解脱建议包括垂直方向建议和水平方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，分别取垂直方向和水平方向正向建议的中间值对应作为垂直速度指令、航向指令；若生成的解脱建议为负向建议，分别取建议生成时刻本机的垂直速度和航向作为垂直速度指令、航向指令；
利用垂直速度指令生成升降舵控制指令，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态；利用航向指令生成副翼指令，以将无人机控制模态切换为航向控制模态。
另一方面，提供一种无人机空中自动防撞系统，利用如上所述的方法，所述自动防撞系统包括：
交通咨询和解脱建议生成单元，用于利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知，生成交通咨询和解脱建议；
控制指令生成模块，根据生成的解脱建议生成控制指令，并将控制指令发送给飞控系统；其中，若解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为控制指令；若解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度或/和航向作为控制指令；飞控系统接收的控制指令将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态或/和航向控制模态，进行对应的垂直速度控制或/和航向控制。
本发明的优点：本发明将有人空中防撞系统与无人机自动控制系统融合，将原来给飞行员提示的解脱建议转化为无人机自动飞控系统能够识别和处理的控制指令，而不依赖与地面站，消除了人的反应带来的延迟，实时性更强。为无人机实现从飞行空域的环境感知、碰撞威胁估计到飞行控制的全自主飞行提供了可行的解决方案。
附图说明：
图1为无人机空中自动防撞方法流程图。
具体实施方式：
在本说明书中的描述中，参考术语“一个实施例”、“一种无人机空中自动防撞方法”等的描述意指结合实施例或示例描述的具体特征或者特点包含在本发明的至少一个事实例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表示不必须针对的是相同的事实例或示例，而且，描述的具体特征或者特点可以在任一个或多个事实例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合或组合。
尽管本说明书已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，所述实施例，仅仅只是示例性的，不能理解为对发明的限制。本领域技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改或替换。
实施例1
本实施例，提供一种无人机空中自动防撞方法，将空中防撞系统给出的解脱建议与无人机的自动控制系统融合，以控制无人机脱离危险区域。
所述无人机空中自动防撞方法包括：利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知，生成交通咨询和解脱建议；
若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为控制指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度或/和航向作为控制指令；所述解脱建议包括垂直方向建议和水平方向建议；
将所述控制指令发送给飞控系统，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态或/和航向控制模态，进行对应的垂直速度控制或/和航向控制；
在本机退出解脱建议后，控制模态由垂直速度控制或/和航向控制切换回原控制模态。
具体的控制方法包括以下步骤：
S101、空中交通监视和态势感知
利用二次雷达主动问询空中其他载机上C、S模式应答机的应答，对应答信号使用各模式相应的译码器进行译码，得到入侵机的高度、高度变化率和身份信息；
通过测量询问信号发出到接收应答信号的时间间隔，计算出与入侵机之间的距离；
通过本机方向性天线的定向性，获得入侵机的方位信息；利用本机的机载传感器，获取本机的飞行参数。
S102、监视跟踪
根据计算得到的入侵机的点迹信息，对点迹信息进行过滤和融合，滤除多余和虚假的点迹，建立入侵机的航迹，转入对入侵机的跟踪；在跟踪过程中，通过跟踪滤波器对入侵机的航迹进行实时滤波，消除虚假航迹，形成可信的航迹。点迹信息是指某一时刻入侵机的高度、高度变化率、身份信息、本机与入侵机之间的距离、与入侵机相对本机的方位。
S103、预测本机与入侵机的航迹，进行碰撞检测
利用所述可信的航迹，采用跟踪算法精确估计入侵机的位置和运动参数，并形成入侵机稳定的航迹；并根据入侵机到最接近点的预留时间来对入侵机进行威胁探测，得到入侵机与本机相遇的几何学形态；所述运动参数包括高度、高度变化率、本机与入侵机之间的距离和距离变化率。
S104、生成交通咨询和解脱建议
根据入侵机与本机相遇的几何学形态，将入侵机的威胁分别归类为无威胁、接近威胁、TA威胁和RA威胁；首先由距离测试和高度测试来决定是否产生TA和RA，如果距离测试和高度测试都通过，则进行碰撞测试，碰撞测试通过为RA威胁，未通过的为TA威胁，没有通过高度测试或者距离测试的，进行临近测试，临近测试通过为接近威胁，没有通过为无威胁。针对RA威胁给出解脱建议，以采取相应的机动飞行措施，避免碰撞；针对TA威胁，生成交通咨询。
S105、对生成的解脱建议指令进行重新处理，计算出控制指令
(1)当生成的解脱建议仅包括垂直方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为垂直速度指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度作为垂直速度指令；
利用垂直速度指令生成升降舵控制指令，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态；具体指令生成方法，如下所述：
其中：δa为升降舵控制指令、为垂直速度指令，q为俯仰角速率、/>为俯仰角速率指令、θg为俯仰角指令、/>为垂直速度、θ为俯仰角，/>为参数。
(2)当生成的解脱建议仅包括航向建议，若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为航向指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的航向作为航向指令；
将所述航向指令发送给飞控系统，利用航向指令生成副翼指令，以将无人机控制模态切换为航向控制模态，进行航向控制；
具体指令生成方法，如下所述：
其中：δa为副翼控制指令、ψg为航向角指令、ψ为航向角、γ为航向角速率、φg为滚转角指令、φ为滚转角、p为滚转角速率，为参数。
(3)当生成的解脱建议包括垂直方向建议和水平方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，分别取垂直方向和水平方向正向建议的中间值对应作为垂直速度指令、航向指令；若生成的解脱建议为负向建议，分别取建议生成时刻本机的垂直速度和航向作为垂直速度指令、航向指令；
利用垂直速度指令生成升降舵控制指令，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态；利用航向指令生成副翼指令，以将无人机控制模态切换为航向控制模态。
S106、在本机退出解脱建议后，控制模态由垂直速度控制或/和航向控制切换回原控制模态。当本机与入侵机之间的距离或高度已经超出威胁区域的范围，则不再生成解脱建议，视为退出解脱建议。
实施例2
本实施例，提供一种无人机空中自动防撞系统，利用实施例1所述的方法，，所述自动防撞系统包括：
交通咨询和解脱建议生成单元，用于利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知，生成交通咨询和解脱建议；
控制指令生成模块，根据生成的解脱建议生成控制指令，并将控制指令发送给飞控系统；其中，若解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为控制指令；若解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度或/和航向作为控制指令；飞控系统接收的控制指令将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态或/和航向控制模态，进行对应的垂直速度控制或/和航向控制。
本实施例，在本机退出解脱建议后，控制模态由垂直速度控制或/和航向控制切换回原控制模态。

Claims (7)

1.一种无人机空中自动防撞方法，其特征在于，所述方法包括：
利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知，生成交通咨询和解脱建议；
若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为控制指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度或/和航向作为控制指令；所述解脱建议包括垂直方向建议和水平方向建议；
将所述控制指令发送给飞控系统，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态或/和航向控制模态，进行对应的垂直速度控制或/和航向控制；
在本机退出解脱建议后，控制模态由垂直速度控制或/和航向控制切换回原控制模态；
当生成的解脱建议仅包括垂直方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为垂直速度指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度作为垂直速度指令；
利用垂直速度指令生成升降舵控制指令，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态；具体指令生成方法，如下所述：
其中：δe为升降舵控制指令、为垂直速度指令，q为俯仰角速率、qg为俯仰角速率指令、θg为俯仰角指令、/>为垂直速度、θ为俯仰角，/>为参数；
当生成的解脱建议仅包括水平方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为航向指令；若生成的解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的航向作为航向指令；
将所述航向指令发送给飞控系统，利用航向指令生成副翼指令，以将无人机控制模态切换为航向控制模态，进行航向控制；
具体指令生成方法，如下所述：
其中：δa为副翼控制指令、Ψg为航向角指令、ψ为航向角、γ为航向角速率、φg为滚转角指令、φ为滚转角、p为滚转角速率，
为参数；
当生成的解脱建议包括垂直方向建议和水平方向建议，若生成的解脱建议为正向建议，分别取垂直方向和水平方向正向建议的中间值对应作为垂直速度指令、航向指令；若生成的解脱建议为负向建议，分别取建议生成时刻本机的垂直速度和航向作为垂直速度指令、航向指令；
利用垂直速度指令生成升降舵控制指令，以将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态；利用航向指令生成副翼指令，以将无人机控制模态切换为航向控制模态。
2.根据权利要求1所述的无人机空中自动防撞方法，其特征在于，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知包括：
利用二次雷达主动问询空中其他载机上C、S模式应答机的应答，对应答信号使用各模式相应的译码器进行译码，得到入侵机的高度、高度变化率和身份信息；通过测量询问信号发出到接收应答信号的时间间隔，计算出与入侵机之间的距离；通过本机方向性天线的定向性，获得入侵机的方位信息；利用本机的机载传感器，获取本机的飞行参数。
3.根据权利要求2所述的无人机空中自动防撞方法，其特征在于，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知还包括：
根据计算得到的入侵机的点迹信息，对点迹信息进行过滤和融合，滤除多余和虚假的点迹，建立入侵机的航迹，转入对入侵机的跟踪；在跟踪过程中，通过跟踪滤波器对入侵机的航迹进行实时滤波，消除虚假航迹，形成可信的航迹；
点迹信息是指某一时刻入侵机的高度、高度变化率、身份信息、本机与入侵机之间的距离、与入侵机相对本机的方位。
4.根据权利要求3所述的无人机空中自动防撞方法，其特征在于，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知还包括：
利用所述可信的航迹，采用跟踪算法精确估计入侵机的位置和运动参数，并形成入侵机稳定的航迹；并根据入侵机到最接近点的预留时间来对入侵机进行威胁探测，得到入侵机与本机相遇的几何学形态；所述运动参数包括高度、高度变化率、本机与入侵机之间的距离和距离变化率。
5.根据权利要求4所述的无人机空中自动防撞方法，其特征在于，利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知还包括：
根据入侵机与本机相遇的几何学形态，将入侵机的威胁分别归类为无威胁、接近威胁、TA威胁和RA威胁；针对RA威胁给出解脱建议，以采取相应的机动飞行措施，避免碰撞；针对TA威胁，生成交通咨询。
6.一种无人机空中自动防撞系统，利用权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述自动防撞系统包括：
交通咨询和解脱建议生成单元，用于利用二次雷达的主动问询完成空中交通监视和态势感知，生成交通咨询和解脱建议；
控制指令生成模块，根据生成的解脱建议生成控制指令，并将控制指令发送给飞控系统；其中，若解脱建议为正向建议，则取正向建议的中间值作为控制指令；若解脱建议为负向建议，则取建议生成时刻本机的垂直速度或/和航向作为控制指令；飞控系统接收的控制指令将无人机控制模态切换为垂直速度控制模态或/和航向控制模态，进行对应的垂直速度控制或/和航向控制。
7.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，所述存储介质用于存储计算及程序，该程序包括用于执行权利要求1-5任一项方法的指令。
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