CN116720658A - 一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法 - Google Patents

一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法 Download PDF

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张洪海
王非
夷珈
冯棣坤
钟罡
刘皞
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Abstract

本发明公开了一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，属于信息工程技术领域。包括以下步骤：采集区域内旋翼无人机航路与运行环境基本信息；依据图论的完整性、连续性等性质建立相关约束；依据旋翼无人机运行特点建立相关约束；根据建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型，采用启发式算法对模型进行求解，得到不同运行规则下的旋翼无人机低空航路通行能力。本发明提供的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，建立了多目标优化模型，可通过启发式算法对模型进行求解，调整旋翼无人机安全间隔、起降间隔等参数，最终得到不同运行规则下面向旋翼无人机的低空航路通行能力。

Description

一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法
技术领域
本发明涉及信息工程技术领域，尤其是涉及一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法。
背景技术
近年来城市空中交通与无人机产业日新月异，然而低空空域管理机制尚不完善，无法应对日益增长的低空交通市场规模，亟需通过新技术与新概念建立低空交通新模式，实现在保障安全与效率的前提下激发低空经济繁荣发展。本发明面向我国城市空中交通发展需求，紧跟无人机规模化、常态化发展趋势，针对城市低空复杂多变的空域运行环境，重点研究面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，对于完善城市空中交通管理体系、推动城市空地资源合理配置、助力相关产业转型优化升级具备重要的理论价值与现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，解决了不能得到不同运行规则下的旋翼无人机航路通行能力的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，包括以下步骤：
S1、采集区域内旋翼无人机航路与运行环境基本信息，包括航路起点/终点、航路长度、起降场点位置、地面人口密度等，进一步对所获数据进行处理，绘制航路拓扑结构图；
S2、将旋翼无人机航路通行能力定义为单位时间内该航路中所有起降场点能够服务的最大旋翼无人机架次之和，并以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数，依据图论的完整性、连续性等性质建立相关约束；
S3、考虑旋翼无人机运行过程中产生的代价，从安全、成本角度出发，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数，依据旋翼无人机运行特点建立相关约束；
S4、根据步骤S2和步骤S3建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型，采用启发式算法对模型进行求解，调整旋翼无人机安全间隔、起降间隔等参数，最终得到不同运行规则下的旋翼无人机低空航路通行能力。
优选的，在步骤S2中，以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数：
其中，N表示低空航路通行能力，即能够执行的最多旋翼无人机飞行计划；f(nk)为0-1变量，
优选的，在步骤S2中，依据图论建立相关约束条件为：
起飞约束：
其中，为0-1变量，/>Oi为航路Lij的起点，/>表示飞离从点Oi飞离的航路集合；Os为配送计划的起点集合。若旋翼无人机飞行计划k被执行，即f(nk)＝1，则旋翼无人机必须经过飞离点Oi的任意一条航路；若配送计划k未被执行，即f(nk)＝0，则旋翼无人机不会经过任意飞离点Oi的航路；
降落约束：
其中，Oj为航路Lij的终点，表示飞入点Oj的航路集合；Oe为飞行计划的终点集合。若旋翼无人机飞行计划k被执行，即f(nk)＝1，即旋翼无人机必须经过飞入点Oj的任意一条航路；若飞行计划k未被执行，即f(nk)＝0，则旋翼无人机不会经过任意飞入点Oj的航路；
航线完整性约束：
其中，和/>都为0-1变量；若飞行计划k要途径起点与终点外的其他节点Oz，则旋翼无人机飞入点Oz且飞出点Oz。
优选的，在步骤S3中，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数：
其中，f(nk)和都为0-1变量；ωrisk、ωcost依次为安全和成本代价的权重系数，ωrisk+ωcost＝1；
表示旋翼无人机运行安全代价，/>
式中，Puav表示旋翼无人机发生事故坠地的概率；Npeople表示事故旋翼无人机击中的人数，Npeople＝Aρpeople，ρpeople为地面人口密度，A为旋翼无人机坠地影响面积，wuav、luav、huav依次为旋翼无人机的翼展、机身长、机身高；Fdie表示地面人员被事故旋翼无人机击中后的致死率，/>E表示撞击动能，S表示遮蔽系数，α和μ是模型中的固定参数；
表示旋翼无人机运行成本代价，/>
式中：ppower表示旋翼无人机单位时间的飞行成本；tij表示旋翼无人机的飞行时间。
优选的，在步骤S3中，建立下层规划约束条件为：
引入时间变量：
其中，表示旋翼无人机在执行任务k时，从节点Oi出发的时刻；M表示某个无限大的正数；
起飞时间约束：
其中，Ttakeoff表示旋翼无人机的起飞时间上限；
过点时间约束：
其中，表示旋翼无人机在通过点Oj的时刻；/>表示旋翼无人机飞过航路Lij的所需时间；
飞行间隔约束：
其中，Tairroute表示前后两架旋翼无人机在同一条航路上的飞行间隔；
载重限制：muav+mdelivery≤mmax；
其中，muav表示旋翼无人机空载质量；mmax表示旋翼无人机起飞质量上限；
高度限制：hmin≤hij≤hmax；
其中，hmin表示旋翼无人机飞行高度下限；hmax表示旋翼无人机飞行高度上限；
速度限制：vmin≤vuav≤max(vwind,vmax)；
其中，vmin表示旋翼无人机飞行速度下线；vmax表示旋翼无人机飞行速度上限；vwind表示风速。
优选的，在步骤S4中，根据步骤S2和步骤S3建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型为，
因此，本发明采用上述结构的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，具备的有益效果：采集区域内旋翼无人机航路与运行环境基本信息，包括航路起点/终点、航路长度、起降场点位置、地面人口密度等，进一步对所获数据进行处理，绘制航路拓扑结构图；将旋翼无人机航路通行能力定义为单位时间内该航路中所有起降场点能够服务的最大旋翼无人机架次之和，并以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数，依据图论的完整性、连续性等性质建立相关约束；进一步考虑旋翼无人机运行过程中产生的代价，从安全、成本角度出发，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数，依据旋翼无人机运行特点建立相关约束；采用启发式算法对模型进行求解，调整旋翼无人机安全间隔、起降间隔等参数，最终得到不同运行规则下的旋翼无人机航路通行能力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
如图1，本发明提供了一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，包括以下步骤：
S1、采集区域内旋翼无人机航路与运行环境基本信息，包括航路起点/终点、航路长度、起降场点位置、地面人口密度等，进一步对所获数据进行处理，绘制航路拓扑结构图；
S2、将旋翼无人机航路通行能力定义为单位时间内该航路中所有起降场点能够服务的最大旋翼无人机架次之和，并以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数，依据图论的完整性、连续性等性质建立相关约束；
S3、考虑旋翼无人机运行过程中产生的代价，从安全、成本角度出发，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数，依据旋翼无人机运行特点建立相关约束；
S4、根据步骤S2和步骤S3建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型，采用启发式算法对模型进行求解，调整旋翼无人机安全间隔、起降间隔等参数，最终得到不同运行规则下的旋翼无人机低空航路通行能力。
在步骤S2中，以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数：
其中，N表示低空航路通行能力，即能够执行的最多旋翼无人机飞行计划；f(nk)为0-1变量，
在步骤S2中，依据图论建立相关约束条件为：
起飞约束：
其中，为0-1变量，/>Oi为航路Lij的起点，/>表示飞离从点Oi飞离的航路集合；Os为配送计划的起点集合。若旋翼无人机飞行计划k被执行，即f(nk)＝1，则旋翼无人机必须经过飞离点Oi的任意一条航路；若配送计划k未被执行，即f(nk)＝0，则旋翼无人机不会经过任意飞离点Oi的航路；
降落约束：
其中，Oj为航路Lij的终点，表示飞入点Oj的航路集合；Oe为飞行计划的终点集合。若旋翼无人机飞行计划k被执行，即f(nk)＝1，即旋翼无人机必须经过飞入点Oj的任意一条航路；若飞行计划k未被执行，即f(nk)＝0，则旋翼无人机不会经过任意飞入点Oj的航路；
航线完整性约束：
其中，和/>都为0-1变量；若飞行计划k要途径起点与终点外的其他节点Oz，则旋翼无人机飞入点Oz且飞出点Oz。
在步骤S3中，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数：
其中，f(nk)和都为0-1变量；ωrisk、ωcost依次为安全和成本代价的权重系数，ωrisk+ωcost＝1；
表示旋翼无人机运行安全代价，/>
式中，Puav表示旋翼无人机发生事故坠地的概率；Npeople表示事故旋翼无人机击中的人数，Npeople＝Aρpeople，ρpeople为地面人口密度，A为旋翼无人机坠地影响面积，wuav、luav、huav依次为旋翼无人机的翼展、机身长、机身高；Fdie表示地面人员被事故旋翼无人机击中后的致死率，/>E表示撞击动能，S表示遮蔽系数，α和μ是模型中的固定参数；
表示旋翼无人机运行成本代价，/>
式中：ppower表示旋翼无人机单位时间的飞行成本；tij表示旋翼无人机的飞行时间。
在步骤S3中，建立下层规划约束条件为：
引入时间变量：
其中，表示旋翼无人机在执行任务k时，从节点Oi出发的时刻；M表示某个无限大的正数；
起飞时间约束：
其中，Ttakeoff表示旋翼无人机的起飞时间上限；
过点时间约束：
其中，表示旋翼无人机在通过点Oj的时刻；/>表示旋翼无人机飞过航路Lij的所需时间；
飞行间隔约束：
其中，Tairroute表示前后两架旋翼无人机在同一条航路上的飞行间隔；
载重限制：muav+mdelivery≤mmax；
其中，muav表示旋翼无人机空载质量；mmax表示旋翼无人机起飞质量上限；
高度限制：hmin≤hij≤hmax；
其中，hmin表示旋翼无人机飞行高度下限；hmax表示旋翼无人机飞行高度上限；
速度限制：vmin≤vuav≤max(vwind,vmax)；
其中，vmin表示旋翼无人机飞行速度下线；vmax表示旋翼无人机飞行速度上限；vwind表示风速。
在步骤S4中，根据步骤S2和步骤S3建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型为，
因此，本发明采用上述的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，建立了多目标优化模型，可通过启发式算法对模型进行求解，调整旋翼无人机安全间隔、起降间隔等参数，最终得到不同运行规则下面向旋翼无人机的低空航路通行能力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集区域内旋翼无人机航路与运行环境基本信息，包括航路起点/终点、航路长度、起降场点位置、地面人口密度等，进一步对所获数据进行处理，绘制航路拓扑结构图；
S2、将旋翼无人机航路通行能力定义为单位时间内该航路中所有起降场点能够服务的最大旋翼无人机架次之和，并以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数，依据图论的完整性、连续性等性质建立相关约束；
S3、考虑旋翼无人机运行过程中产生的代价，从安全、成本角度出发，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数，依据旋翼无人机运行特点建立相关约束；
S4、根据步骤S2和步骤S3建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型，采用启发式算法对模型进行求解，调整旋翼无人机安全间隔、起降间隔等参数，最终得到不同运行规则下的旋翼无人机低空航路通行能力。
2.根据权利要求1所述的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，其特征在于：在步骤S2中，以能够执行的飞行计划最多为一级目标函数：
其中，N表示低空航路通行能力，即能够执行的最多旋翼无人机飞行计划；f(nk)为0-1变量，
3.根据权利要求1所述的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，其特征在于：在步骤S2中，依据图论建立相关约束条件为：
起飞约束：
其中，为0-1变量，/>Oi为航路Lij的起点，/>表示飞离从点Oi飞离的航路集合；Os为配送计划的起点集合。若旋翼无人机飞行计划k被执行，即f(nk)＝1，则旋翼无人机必须经过飞离点Oi的任意一条航路；若配送计划k未被执行，即f(nk)＝0，则旋翼无人机不会经过任意飞离点Oi的航路；
降落约束：
其中，Oj为航路Lij的终点，表示飞入点Oj的航路集合；Oe为飞行计划的终点集合。若旋翼无人机飞行计划k被执行，即f(nk)＝1，即旋翼无人机必须经过飞入点Oj的任意一条航路；若飞行计划k未被执行，即f(nk)＝0，则旋翼无人机不会经过任意飞入点Oj的航路；
航线完整性约束：
其中，和/>都为0-1变量；若飞行计划k要途径起点与终点外的其他节点Oz，则旋翼无人机飞入点Oz且飞出点Oz。
4.根据权利要求1所述的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，其特征在于：在步骤S3中，建立旋翼无人机运行总代价函数，以总代价函数最小为二级目标函数：
其中，f(nk)和都为0-1变量；ωrisk、ωcost依次为安全和成本代价的权重系数，ωrisk+ωcost＝1；
表示旋翼无人机运行安全代价，/>
式中，Puav表示旋翼无人机发生事故坠地的概率；Npeople表示事故旋翼无人机击中的人数，Npeople＝Aρpeople，ρpeople为地面人口密度，A为旋翼无人机坠地影响面积，wuav、luav、huav依次为旋翼无人机的翼展、机身长、机身高；Fdie表示地面人员被事故旋翼无人机击中后的致死率，/>E表示撞击动能，S表示遮蔽系数，α和μ是模型中的固定参数；
表示旋翼无人机运行成本代价，/>
式中：ppower表示旋翼无人机单位时间的飞行成本；tij表示旋翼无人机的飞行时间。
5.根据权利要求1所述的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，其特征在于：在步骤S3中，建立下层规划约束条件为：
引入时间变量：
其中，表示旋翼无人机在执行任务k时，从节点Oi出发的时刻；M表示某个无限大的正数；
起飞时间约束：
其中，Ttakeoff表示旋翼无人机的起飞时间上限；
过点时间约束：
其中，表示旋翼无人机在通过点Oj的时刻；/>表示旋翼无人机飞过航路Lij的所需时间；
飞行间隔约束：
其中，Tairroute表示前后两架旋翼无人机在同一条航路上的飞行间隔；
载重限制：muav+mdelivery≤mmax；
其中，muav表示旋翼无人机空载质量；mmax表示旋翼无人机起飞质量上限；
高度限制：hmin≤hij≤hmax；
其中，hmin表示旋翼无人机飞行高度下限；hmax表示旋翼无人机飞行高度上限；
速度限制：vmin≤vuav≤max(vwind,vmax)；
其中，vmin表示旋翼无人机飞行速度下线；vmax表示旋翼无人机飞行速度上限；vwind表示风速。
6.根据权利要求1所述的一种面向旋翼无人机的低空航路通行能力评估方法，其特征在于：在步骤S4中，根据步骤S2和步骤S3建立的旋翼无人机低空航路通行能力评估多目标优化模型为，
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117295038A (zh) * 2023-11-24 2023-12-26 中国民航大学 一种uat2数据链设备、数据编码方法和数据编码装置
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