CN117406729A - 一种evtol避让系统的rta设计方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种EVTOL避让系统的RTA设计方法、设备及介质，涉及航空器机载航电系统技术领域。所述方法包括：根据空域UAM的规划与要求，确定EVTOL搭载机型避让系统的运行参数，并根据运行环境特征选用感知方案及对应的感知设备，得到外部环境信息输入数据；根据外部环境信息输入数据分别进行复杂避让功能的运算和备用避让功能的运算，并根据避让系统安全监视器的设定触发阈值选定控制输出；确定运行时保证组件的场景，设计组件工作时间序列与事件流程以及组件行为规范，将避让系统的警告或工作状态显示并对驾驶员进行预警。本发明能够有效缓解EVTOL在UAM环境中运行发生预期功能安全问题，进而导致的严重运行风险。
Description
技术领域
本发明涉及航空器机载航电系统技术领域，特别是涉及一种EVTOL避让系统的RTA设计方法、设备及介质。
背景技术
随着城市空中交通的迅猛发展，当前对电推动垂直起降飞行器的研究层出不穷，相比于城市道路交通，在城市低空空域运输的航空器不受复杂地面环境和随机行人干扰，运动自由度更高，在飞行中具有更少的环境不确定性和更多的避撞裕度。而空中避让机制是保障航空器城市低空安全运行的关键核心内容之一，适航角度下的避让功能风险缓解程度很大程度上决定了机载实用化的可能性与速度。传统空中防撞装备难以应对复杂的低空城市环境，而高性能的避让功能也存在着新的安全风险隐患，现有民机系统安全性设计与评估方法难以保证应用启发式算法或人工智能方法的避让功能。随着机载智能水平的提高，预期功能安全问题(Safety ofthe Intended Functionality,SOTIF)问题也随着智能感知技术的引入而产生，区别于基于ARP 4761的传统安全性评估中由随机失效和系统性失效引发，该问题是源自于系统本身性能局限性所产生的预期外系统行为，以及人员对于系统的误用。因此，针对避让功能的风险缓解研究对EVTOL航空器的安全运行是有重要意义的。
发明内容
本发明的目的是提供一种EVTOL避让系统的RTA设计方法、设备及介质，能够有效缓解EVTOL在UAM环境中运行发生预期功能安全问题，进而导致的严重运行风险。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种EVTOL避让系统的RTA设计方法，包括：
S1、根据空域UAM的规划与要求，确定EVTOL搭载机型避让系统的运行参数，并根据运行环境特征选用感知方案及对应的感知设备，得到外部环境信息输入数据；所述运行参数包括运行设计域、安全边界以及RTA系统覆盖范围；
S2、基于所述运行参数，根据所述外部环境信息输入数据分别进行复杂避让功能的运算和备用避让功能的运算，并根据避让系统安全监视器的设定触发阈值选定所述EVTOL搭载机型避让系统的控制输出；
S3、确定运行时保证组件的场景，设计组件工作时间序列与事件流程以及组件行为规范，根据所述控制输出将避让系统的警告或工作状态显示并对驾驶者进行预警。
可选地，所述RTA系统覆盖范围包括标称区域、备用区域、安全监视器触发阈值区域、保护区域和非保护区域。
可选地，所述感知设备包括超声波雷达、热感相机、3D激光雷达和视觉深度相机中的一种或者多种。
可选地，所述外部环境信息输入数据的确定方法为：
利用机器视觉技术对障碍物进行检测和识别，以及利用数据标定法对感知设备的内部参数和外部参数进行数据标定，并根据标定结果提取3D距离信息确定本机位置信息，计算出避让的目标位置变化，对障碍物的运动轨迹做出预测，同时根据被检测出来的障碍物类型设置危险目标区域半径。
可选地，所述复杂避让功能的运算，具体包括：
基于所述运行参数和所述外部环境信息输入数据，借助运动学模型拟合预测出本机的运动状态和运行轨迹，并利用避让算法对复杂动态的避让场景进行避让功能的实现；所述避让算法包括人工势场法、深度学习算法和速度障碍法。
可选地，所述备用避让功能的运算，具体包括：
基于所述运行参数和所述外部环境信息输入数据，对飞机前、后、左、右4各区域进行扫描与询问，探测在信号覆盖范围内的其他航空器，当获取目标机时输出应答信号，并同时监视、跟踪目标，建立、更新和维护目标系统航迹，使本机避让其他航空器。
可选地，所述S3中的预警状态包括低预警、中预警和高预警；
其中，所述低预警由航路入侵后且避让系统处于标称区域的条件下触发，并对驾驶者进行提醒；所述中预警由触发低预警后，系统进入备用区域，但并未进入非保护区域触发，对驾驶者进行提醒，同时对附近城市空中交通参与者进行信息通知交流；所述高预警则由触发中预警后，系统既无法返回标称区域，也无法在备用区域稳定运行，而是进入非保护区域，此时对驾驶者进行声音与灯光提醒，同时对附近城市空中交通参与者进行信息通知交流，并将本机信息与操作与城市空中交通管制部门通信交流。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的EVTOL避让系统的RTA设计方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种EVTOL避让系统的RTA设计方法、设备及介质，所述方法包括根据空域UAM的规划与要求，确定EVTOL搭载机型避让系统的运行参数，并根据运行环境特征选用感知方案及对应的感知设备，得到外部环境信息输入数据；所述运行参数包括运行设计域、安全边界以及RTA系统覆盖范围；基于所述运行参数，根据所述外部环境信息输入数据分别进行复杂避让功能的运算和备用避让功能的运算，并根据避让系统安全监视器的设定触发阈值选定所述EVTOL搭载机型避让系统的控制输出；确定运行时保证组件的场景，设计组件工作时间序列与事件流程以及组件行为规范，根据所述控制输出将避让系统的警告或工作状态显示并对驾驶者进行预警。本发明能够有效缓解EVTOL在UAM环境中运行发生预期功能安全问题，进而导致的严重运行风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明EVTOL避让系统的RTA设计方法的流程示意图；
图2为本实施例中一种感知设备方案示意图；
图3为本实施例中EVTOL避让系统结构示意图；
图4为本实施例中EVTOL避让系统各区域与航路的截面图；
图5为本实施例中RTACAS的系统事件工作序列示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
本发明的目的是提供一种EVTOL避让系统的RTA设计方法、设备及介质，能够有效缓解EVTOL在UAM环境中运行发生预期功能安全问题，进而导致的严重运行风险。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种EVTOL避让系统的RTA设计方法、设备及介质，包括：
S1：根据当前空域UAM的规划与要求，定义或确定EVTOL搭载机型避让系统的运行设计域、安全边界以及RTA系统覆盖范围，根据运行环境特征选用合适的感知方案与设备，设计数据输入模块。
具体的，上述运行设计域、安全边界的设计在本实验例中以平直的横截面为矩形的航路且无其他任何影响EVTOL正常运行的其他条件为例；如图4所示，将中心航路定义为标称区域，邻近的航路作为备用区域，标称区域与备用区域之间的部分作为SMTT的空域集合，航路区域为保证区域，航路区域外的空域作为非保证区域。如图3所示。
首先的，如果所述感知设备装设在本机上，则可以将数据直接进行处理；如果所述感知设备装设在其他空中交通参与者或航路外的空中交通设施上，则需要从统一的服务器中提取传感数据，然后对获取的数据进行统一处理。
所述多个传感器的选择是为了提高本机的运行设计域的范围，如24小时作业能力以及减少驾驶者或监护者的数量；同时通过多模态信息的融合，可提供避让目标和本机的准确距离信息。对传感器采集到的信息进行分析，包括对邻近障碍物的检测和识别、对邻近障碍物的位置和速度进行计算和对邻近障碍物的运动轨迹和覆盖区域预测。
S2：根据运行环境选用高性能避让算法作为复杂功能模块，并选用传统民用航空避让功能作为备用功能模块；设计RTA监视模块、RTA切换与决策模块等运行时保证必要组件。
所述避让功能将提供避让目标的威胁等级，包括NOPA：无威胁；PA：接近威胁；TA：交通告警；RA：决断告警四个等级，并将目标信息以图形的方式显示。当目标的威胁等级为TA时，系统显示目标机信息的同时伴有语音告警。
上述功能在目标机的威胁等级为RA时，系统显示目标机信息的同时伴有语音提示。在产生RA的过程中，如果目标机也装有ACASII设备，两架飞机就会利用S模式数据链，进行决断意图的沟通，实现飞机间的协调避让；否则，机载防撞系统将输出决断告警建议，由飞行员操纵飞机完成避让。
S3：确定运行时保证组件的场景，设计组件工作时间序列与事件流程以及组件行为规范，设计抗振荡模块。设计系统报警与提醒模块，将避让系统的警告或工作状态显示并提醒给驾驶者。
所述步骤S3中抗振荡模块设计，通过在RTA切换功能中添加设计切换延时的功能以进行阻止反复复杂与备用功能反复切换，防止影响复杂功能或备用功能导致避让系统正常工作。
所述步骤S3中的安全预警等级包括低预警、中预警和高预警，所述安全预警等级使用显示屏和蜂鸣器同时进行提示和预警，所述低预警用绿色显示，所述中预警用黄色显示，所述高预警用红色显示，所述安全预警等级以视频方式传输到牵引车的显示屏上。
上述低预警由航路入侵后且避让系统处于标称区域的条件下触发，并对驾驶者进行提醒；中预警由触发低预警后，系统进入备用区域，但并未进入非保护区域触发，对驾驶者进行提醒，同时对附近城市空中交通参与者进行信息通知交流；高预警则由触发中预警后，系统既无法返回标称区域，也无法在备用区域稳定运行，而是进入非保护区域，此时对驾驶者进行声音与灯光提醒，同时对附近城市空中交通参与者进行信息通知交流，并将本机信息与操作与城市空中交通管制部门通信交流。
在本实施例中，本机EVTOL搭载机型避让系统的运行设计域、安全边界，还包括：针对空域规划的运行环境进行避让系统运行设计域的定义，其中包括航路、航路状况、航路参与者或目标物、驾驶操作、航空器状态、其他考虑因素、其他机载系统状态等。航路设置与对应的区域如图4所示。
RTA系统覆盖范围包括标称区域、备用区域、二者之间作为过渡的安全监视器触发阈值(SMTT)、保护区域与非保护区域。传感装置的装设位置应满足不影响EVTOL航空器各系统或组件安全运行的基本条件。其中感知方法或设备包括超声波雷达、热感相机、3D激光雷达和视觉深度相机中的一种或者多种，所述传感器通过相应设备在对应的数据标定法对传感器的内部参数和外部参数进行数据标定以进行数据融合。数据融合方法，通过机器视觉技术对障碍物进行检测和识别，根据传感器的标定结果，提取3D距离信息确定本机位置信息，感知结构如图2所示；计算出避让的目标位置变化，对障碍物的运动轨迹做出预测，同时根据被检测出来的障碍物类型设置危险目标区域半径。
数据输入模块，负责接收并汇总处理未得保证的感知数据流，使用数值分析法、时间分析法、因果分析法、关联分析法、比较分析法等典型数据流检查方法确保输入数据的安全性，并在检测到异常数据后通知为RTA决策模块提供预警信息，并负责系统数据对接与传输工作。
复杂避让功能，该模块结合机载航电系统的本机运行状态，读取速度、加速度等运动信息，读取GPS、北斗装置检测出本机地理位置，借助运动学模型拟合预测出本机的运动状态和运行轨迹，并采用人工势场法、深度学习算法、速度障碍法等针对复杂动态的避让场景进行避让功能的实现，如图3所示。
备用避让功能，主要由经TCAS类的空中防撞系统实现，通过对飞机前、后、左、右4各区域进行扫描与询问，探测在信号覆盖范围内的其他航空器，获取目标机就会作出应答信号。同时监视、跟踪目标，建立、更新和维护目标系统航迹，以判断这些飞机是否存在于本机发生碰撞的可能。避让系统的运行时保证结构如图3所示。
设置四个模态以匹配RTA工作序列。场景1：RTA输出保持在安全监视器触发阈值内，RTA系统保持在标称区域内。复杂功能仍然是RTA输出的来源；场景2：RTA输出超过SMTT，因此系统退出标称区域。备用功能作为RTA输出的来源。当复杂功能输出返回到安全监视器触发阈值内时，RTA系统重新进入标称区域，复杂功能输出再次成为RTA输出的来源。场景3：RTA输出超过SMTT，RTA系统退出标称区域。备用功能成为RTA输出的来源。备用功能无法将RTA系统恢复到标称区域，或复杂功能输出继续超过SMTT，或两者兼有。RTA输出仍然来自备用功能，RTA系统在恢复区域内安全运行。场景4：RTA输出超过安全监视器触发阈值，系统退出标称区域。备用功能成为RTA输出的来源。备用功能无法将RTA输出返回到安全监视器触发阈值内，系统退出恢复区域，系统进入非保护区域。事件流程示意图如图5所示。
本实施例具有如下有益效果：
通过多传感器与机器视觉技术对本机与避让目标的感知，并利用运行时保证系统机构针对避让功能进行了设计，提高EVTOL在UAM环境中的通行效率和安全性。
本实施例的实时对本机和避让目标进行相对位置进行感知识别和避让，能够有效缓解EVTOL在UAM环境中运行发生预期功能安全问题进而导致严重运行风险，系统还可以以报警频率的不同对驾驶者发出声音警示。本系统有助于提高EVTOL的安全性和效率。
本实施例通过传感器对障让目标与本机信息进行采集和分析，并通过RTA构建新型避让系统，对本机避让系统的安全性与适航通过性有较大提升；通过不同的RTA系统状态对驾驶者提供安全预警等级提示，有助于提高EVTOL在复杂UAM交通环境下的运行安全性。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据上述的EVTOL避让系统的RTA设计方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法。
各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，包括：
S1、根据空域UAM的规划与要求，确定EVTOL搭载机型避让系统的运行参数，并根据运行环境特征选用感知方案及对应的感知设备，得到外部环境信息输入数据；所述运行参数包括运行设计域、安全边界以及RTA系统覆盖范围；
S2、基于所述运行参数，根据所述外部环境信息输入数据分别进行复杂避让功能的运算和备用避让功能的运算，并根据避让系统安全监视器的设定触发阈值选定所述EVTOL搭载机型避让系统的控制输出；
S3、确定运行时保证组件的场景，设计组件工作时间序列与事件流程以及组件行为规范，根据所述控制输出将避让系统的警告或工作状态显示并对驾驶者进行预警。
2.根据权利要求1所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，所述RTA系统覆盖范围包括标称区域、备用区域、安全监视器触发阈值区域、保护区域和非保护区域。
3.根据权利要求1所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，所述感知设备包括超声波雷达、热感相机、3D激光雷达和视觉深度相机中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，所述外部环境信息输入数据的确定方法为：
利用机器视觉技术对障碍物进行检测和识别，以及利用数据标定法对感知设备的内部参数和外部参数进行数据标定，并根据标定结果提取3D距离信息确定本机位置信息，计算出避让的目标位置变化，对障碍物的运动轨迹做出预测，同时根据被检测出来的障碍物类型设置危险目标区域半径。
5.根据权利要求1所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，所述复杂避让功能的运算，具体包括：
基于所述运行参数和所述外部环境信息输入数据，借助运动学模型拟合预测出本机的运动状态和运行轨迹，并利用避让算法对复杂动态的避让场景进行避让功能的实现；所述避让算法包括人工势场法、深度学习算法和速度障碍法。
6.根据权利要求1所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，所述备用避让功能的运算，具体包括：
基于所述运行参数和所述外部环境信息输入数据，对飞机前、后、左、右4各区域进行扫描与询问，探测在信号覆盖范围内的其他航空器，当获取目标机时输出应答信号，并同时监视、跟踪目标，建立、更新和维护目标系统航迹，使本机避让其他航空器。
7.根据权利要求2所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法，其特征在于，所述S3中的预警状态包括低预警、中预警和高预警；
其中，所述低预警由航路入侵后且避让系统处于标称区域的条件下触发，并对驾驶者进行提醒；所述中预警由触发低预警后，系统进入备用区域，但并未进入非保护区域触发，对驾驶者进行提醒，同时对附近城市空中交通参与者进行信息通知交流；所述高预警则由触发中预警后，系统既无法返回标称区域，也无法在备用区域稳定运行，而是进入非保护区域，此时对驾驶者进行声音与灯光提醒，同时对附近城市空中交通参与者进行信息通知交流，并将本机信息与操作与城市空中交通管制部门通信交流。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行根据权利要求1-7中所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中所述的EVTOL避让系统的RTA设计方法。
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Citations (8)
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2023
- 2023-10-19 CN CN202311354785.8A patent/CN117406729A/zh active Pending
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