TW202246802A

TW202246802A - 無人機的感測與避撞方法

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Publication number: TW202246802A
Application number: TW110118118A
Authority: TW
Inventors: 林清一
Original assignee: 長榮大學
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-12-01
Also published as: TWI765710B

Abstract

一種無人機的感測與避撞方法，係利用飛行無人機之全球衛星定位系統(GPS)的座標數據，以演算軟體將其經緯度(E, N)座標位置之差值執行即時的座標演算與距離檢測，估算兩架或多架該無人機接近的狀況，並自動產生警示訊息給無人機飛航管理系統(UTM)的管制員，以建立感測與避讓的功能。

Description

無人機的感測與避撞方法

本發明係關於一種無人機的感測與避撞方法，主要是在無人機的飛航管理系統的即時飛航數據，顯示各地區飛行的無人機，利用無人機飛行之GPS的座標數據，以演算軟體將其經緯度(E, N)座標位置之差值估算兩架或多架無人機接近的狀況，以建立感測與避讓的功能。

按，無人機開放可以在低空做各種用途的飛行之後，大量的無人機飛上天空，將造成空域安全的隱憂。因此，無人機的飛航管理(UAS Traffic Management, UTM)系統，建立了無人機在空中飛行時的全面監控，以保障飛航安全。其中，無人機在空域的感測與避撞，也是一件刻不容緩的事。

習知無人機要達到空中避撞，須在無人機上加裝主動偵測的硬體，該硬體的加裝，不僅耗損無人機的電力，而且增加了無人機的載重，並不實用。

又，發明人於無人機飛航管理(UTM)系統中，曾獲得專利項目包括: (1) 無人機飛航管理(UTM)系統，新型第M609087號，(2) 無人機自動回報監視(ADS-B Like)系統，新型第M608958號，(3) 無人機顯示圖像(Icon)，發明第I727466號等三項。本發明將上述專利之UTM、ADS-B Like OBU(機載單元)及Icon進一步做技術整合及研發，遂有本發明無人機之感測與避讓功能的產生。

爰是，本發明的主要發明目的，是在提供一種無人機的飛航管理系統中，建立有無人機飛行感測與避讓功能的無人機的感測與避撞方法。

本發明的主要特徵，係在無人機的飛航管理系統之即時飛航數據，顯示各地區飛行的無人機，利用飛行無人機之全球衛星定位系統(GPS)的座標數據，以演算軟體將其經緯度(E, N)座標位置之差值估算兩架或多架無人機接近的狀況，以建立感測與避讓的功能。

請參閱圖1所示，無人機的飛航管理系統(UAS Traffic Management, UTM)1，架構如圖1所示。包含有一個無人機飛航管理的雲端單元10(如台灣專利M609087)；一套或多套的監控電腦20；一飛航電腦處理系統30；數個無人機飛航管制席位40，使飛航督導可從不同路徑連結；配置在無人機2上的類自動回報監視(ADS-B Like)機載單元，具有通訊介面，讓安置在不同區域飛航管理中心(RUTM)或全國飛航管理中心(NUTM)等的管制人員可以接收不同地區的無人機2監視數據，呈現在電子地圖顯示器上。

上述配置在無人機2上的類自動回報監視(ADS-B Like)機載單元(OBU)(台灣專利M608958)，具有通訊機價位低、重量輕、消耗功率低、通訊範圍大、系統建置成本低、高可靠度、高穩定度、容易安裝，為無人機2的回報機制。

該機載單元(OBU)以LoRa為基礎的「類自動回報監視(ADS-B Like)」通訊系統架構，在全台適當地點架設有閘道(Gateway)接收中繼站(Ground Transceiver Station, GTS)，如圖2所示，每一個圓圈代表LoRa GTS設定的15公里半徑接收範圍，經過圖2完整佈局，全台45~50座GTS的佈署可以涵蓋大部份適合飛行之範圍，提供無人機2的監視通訊。

依據民航局建議，機載單元(OBU)回報通訊週期設定為8秒，以避免數據流壅塞。無人機飛航管理系統(UTM)1的數據封包，包含無人機2的遠端識別碼(Remote ID)及起飛第一筆座標鎖定於無人機飛航管理系統(UTM)1中成為控制站識別碼(Station ID)。依法，一個飛行操作員每次只能操作一架無人機2飛行，因此，以機載單元(OBU)的編碼為Remote ID(即無人機及飛行員身分識別碼)是恰當的，飛行員更換無人機時，並以機載單元(OBU)綁定操作人員，以確實管理。

無人機飛航管理系統(UTM)1管制追蹤地圖畫面，以特定圖像 (icon)50(台灣專利I727466)顯示，如圖3所示，顯示無人機2之動態訊息，包括圖像50、無人機2註冊登記編號(ID)、全球衛星定位系統(GPS)位置顯示於地圖上、代表飛行方向的箭號51及其代表速度的長度52、軌跡資料53。無人機2註冊登記編號(ID)、GPS位置顯示於地圖上、上述代表飛行方向的箭號51及其代表速度的長度52、後面尾隨的虛線為軌跡資料53。如圖4所示，無人機2於顯示螢幕將產生一個保護隔離泡(Separation Bubble)54，用於理論上的預估衝突時間(TTC)、交通諮詢(TA)與排解諮詢(RA)。管制員可以依據管制需求，以拉長無人機2的速度箭號51長度方式，作為外插交集，以估算兩架無人機2是否可能接近或可能衝突，作為本發明發出預估衝突時間(TTC)警訊、交通諮詢(TA)及排解諮詢(RA)的基準。

無人機飛航管理系統(UTM)1將無人機2依其所在地區的全球大地坐標系統(例如:1984 全球大地坐標系統/world geodetic system 1984 (WGS84))之座標經度(E)與緯度(N)，將兩無人機2之差值＜0.1，E1-E2＜0.1,N1-N2＜0.1。當兩無人機2的經度向誤差小於11.1km、緯度向的誤差小於10km，兩無人機2將顯示在區域飛航管理中心(RUTM)的無人機飛航管理系統(UTM)1之同一個監視區域畫面內，如圖5所示。無人機飛航管理系統(UTM)1將注意這兩架無人機2的後續行進路線，經運算軟體運算，以估算可能的衝突時間(TTC)。

若兩無人機2繼續前進，若圖像50顯示兩架或多架無人機2的圖像50之箭號51外插產生交集，及兩或多架無人機2的衝突時間(TTC)＜60 sec，避讓(Detect and Avoid, DAA)的功能將於衝突時間(TCC)＜48 sec時，發出交通諮詢(TA)警訊(Alert)。例如:

E1-E2＜0.005, 隔離距離＜550 m, 或衝突時間(TCC)＜70 sec.

N1-N2＜0.005, 隔離距離＜500 m, 或衝突時間(TCC)＜60 sec.

若兩或多架無人機2持續接近，無人機飛航管理系統(UTM)1經感測與避讓(Detect and Avoid, DAA)經運算軟體運算，將發布排解諮詢(RA)警告(Warning)，如圖6所示，必須進行衝突排解，無人機飛航管理系統(UTM)1管制員將透過通訊系統(例如如4G手機或Zello(即手機下載對講機模擬程式))，與優先度較低的無人機2操作員通話，下達避讓指令。所有飛行員在申請起飛前必須先確定所使用之4G手機或設定之Zello通訊暢通。

本發明感測與避讓(DAA)功能在無人機飛航管理系統(UTM)1中以運算軟體來執行即時的座標演算與距離檢測，並自動產生警示訊息給無人機飛航管理系統(UTM)1管制員，以注意進行排解。圖7為本發明的運算軟體流程圖。在無人機飛航管理系統(UTM)1中心，管制員值班監視無人機2的飛航，如圖8所示。

上述無人機2的飛行避讓規則，大致分為三類，(1)迎面接近，(2)側向交會，(3)後方追越。(1)當迎面接近時，兩無人機沒有優先度，各自向右方偏轉一個小角度避讓後，各自飛行，如圖9所示。(2)兩無人機側向接近時，以無人機飛行方向為準之位在右邊無人機為優先，位在左邊的無人機為低優先，該左邊無人機應右轉迂迴自優先度高的無人機後方，之後回復原路徑飛行，如圖10, 11, 12所示。(3)後無人機追越前面無人機時，應從前無人機右側邊加速追越。惟無人機飛行速度差距不大，也無法做高度隔離，追越不宜從較高空間追過。

無人機飛航管理系統(UTM)1執行感測與避讓功能，執行時螢幕顯示畫面如圖13所示，以及如圖14之登錄設定，以利無人機飛航管理系統(UTM)1的管制員擷取處理。

為說明無人機飛航管理系統(UTM)1的感測與避讓功能執行方式，本發明於無人機飛航管理系統(UTM)1中實際進行飛行測試為例，說明於圖15至圖21所示。其中:

圖15為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面，其中兩無人機(REV02、S01)接近偵測，其中無人機飛行方向位在右邊的REV02為優先。

圖16為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面，其中兩無人機(REV02、S01)接近，啟動箭號51外插，確定衝突時間(TCC)＜48 sec，啟動交通諮詢(TA)警訊。其中無人機飛行方向位在右邊的REV02為優先。

圖17為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面，其中兩無人機(REV02、S01)接近，預估衝突時間(TCC)＜24sec，啟動排解諮詢(RA)警訊。其中無人機飛行方向位在右邊的無人機(REV02)為優先，左邊的無人機(S01)應避讓。

圖18為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面，其中兩無人機接近，啟動排解諮詢(RA)排解，人機飛航管理系統(UTM)1的管制員通知低優先度的無人機(S01)飛行員右轉向東20秒後回來原路徑。

圖19為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面。無人機飛航管理系統(UTM)1的管制員通知低優先度的無人機(S01)飛行員右轉20秒後，無人機飛航管理系統(UTM)1管制員再次通知無人機(S01)飛行員左轉回到原路徑航向。

圖20為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面。避讓的無人機(S01)從高優先度無人機(REV02)後方穿越。

圖21為無人機飛航管理系統(UTM)1在感測與避讓(DAA)執行實例之畫面。兩無人機(REV02、S01)避讓完成，各自回歸原規劃路徑航向。

由上述之實例說明可知，本發明確可臻至無人機飛行的感測與避讓功能，依法提出發明專利申請，懇請惠予審查並核予專利，實感德便。

1:無人機的飛航管理系統 10:雲端單元 20:監控電腦 30:飛航電腦處理系統 40:管制席位 50:圖像 51:箭號 52:長度 53:軌跡資料 54:保護隔離泡 2、REV02、S01:無人機

圖1所示是本發明實施例無人機的飛航管理系統架構圖。圖2所示是本發明實施例的台灣全台通信系統佈署分布圖圖3所示是本發明實施例無人機於無人機飛航管理系統螢幕中顯示的圖像。圖4所示是本發明實施例無人機於無人機飛航管理系統螢幕中顯示的保護隔離泡圖。圖5所示是本發明實施例無人機於區域飛航管理中心(RUTM)的無人機飛航管理系統之螢幕，於螢幕中顯示兩架無人機圖像的箭號外插可能造成衝突。圖6所示是本發明實施例無人機於區域飛航管理中心(RUTM)的無人機飛航管理系統之螢幕，於螢幕中顯示兩架無人機圖像的箭號外插交集可能造成衝突，需交通諮詢排解。圖7所示是本發明實施例無人機飛航管理系統之無人機感測與避讓(DAA)運算軟體流程圖。圖8所示是本發明實施例無人機飛航管理系統中心值班情形參考圖。圖9所示是本發明實施例兩架無人機迎面接近之避讓圖。圖10～12所示是本發明實施例兩架無人機側向交會之避讓圖。圖13所示是本發明實施例無人機飛航管理系統執行無人機感測與避讓(DAA)之螢幕畫面參考圖。圖14所示是本發明實施例無人機飛航管理系統執行無人機感測與避讓(DAA)之功能參數設定的螢幕畫面參考圖。圖15～21所示是本發明實施例無人機飛航管理系統之無人機感測與避讓(DAA)執行實例畫面。

Claims

一種無人機的感測與避撞方法，係利用飛行無人機之全球衛星定位系統(GPS)的座標數據，以演算軟體將其經緯度(E, N)座標位置之差值執行即時的座標演算與距離檢測，估算兩架或多架該無人機接近的狀況，並自動產生警示訊息給無人機飛航管理系統(UTM)的管制員，以建立感測與避讓的功能。
如請求項1所述之無人機的感測與避撞方法，其中該無人機於該無人機飛航管理系統的監控電腦螢幕，係以一特定圖像顯示該無人機之動態訊息，包括該無人機的註冊登記編號(ID)、全球衛星定位系統(GPS)的位置並顯示於地圖上、代表飛行方向的箭號及代表速度的長度、軌跡資料；藉由拉長該無人機的該箭號長度之方式，作為外插交集，以估算兩架或多架該無人機是否可能接近或可能衝突，再經該演算軟體演算，以預估相接近的該無人機的衝突時間，並作為交通諮詢及排解諮詢的基準。
如請求項2所述之無人機的感測與避撞方法，其中兩或多架該無人機的該座標位置之差值E1-E2＜0.005, 隔離距離＜550 m, 或衝突時間(TCC)＜70 sec. ；N1-N2＜0.005, 隔離距離＜500 m, 或衝突時間(TCC)＜60 sec.；當該衝突時間(TTC)＜60 sec，避讓的功能將於該衝突時間(TCC)＜48 sec時，發出交通諮詢(TA)警訊。
如請求項3所述之無人機的感測與避撞方法，其中兩或多架該無人機持續接近，該無人機飛航管理系統經運算軟體運算感測而須避讓，該無人機飛航管理系統的管制員係透過通訊系統與優先度較低的該無人機操作員通話，下達避讓指令。
如請求項4所述之無人機的感測與避撞方法，其中該避讓的規則分為三類，(1)迎面接近，(2)側向交會，(3)後方追越；(1)當迎面接近時，兩該無人機沒有優先度，各自向右方偏轉一個小角度避讓後，各自飛行；(2)兩該無人機側向接近時，以無人機飛行方向為準之位在右邊無人機為優先，位在左邊的無人機為低優先，該左邊無人機應右轉迂迴自優先度高的該無人機後方，之後回復原路徑飛行；(3)後無人機追越前面無人機時，應從前無人機右側邊加速追越，惟無人機飛行速度差距不大，也無法做高度隔離，追越不宜從較高空間追過。
如請求項4所述之無人機的感測與避撞方法，其中該通訊系統係以4G手機或該手機下載對講機模擬程式Zello為主。
如請求項1所述之無人機的感測與避撞方法，其中該全球衛星定位系統(GPS)的座標數據係採用1984 全球大地坐標系統。
如請求項1所述之無人機的感測與避撞方法，其中該無人機飛航管理系統的架構，係包含有一個該無人機飛航管理的雲端單元；一套或多套的監控電腦；一飛航電腦處理系統；數個該無人機飛航管制席位，使飛航督導可從不同路徑連結；配置在該無人機上的類自動回報監視(ADS-B Like)機載單元，具有通訊介面，讓安置在不同區域飛航管理中心(RUTM)或全國飛航管理中心(NUTM)等的管制人員可以接收不同地區的該無人機監視數據，呈現在電子地圖顯示器上。