一种无人机飞行冲突解脱方法及解脱系统技术方案

本发明专利技术公开一种无人机飞行冲突解脱方法及解脱系统，该方法包括通过全域数据分析获得由所有可能撞击的无人机的状态组成的碰撞空间；在碰撞空间内任意一对无人机之间的距离小于或等于设定的安全距离时，判定该对无人机发生冲突并触发TA警报；基于复杂网络以每个无人机所在位置为节点建立网络模型；并在节点之间建立连接；在发生冲突的每对节点之间的距离随时间逐渐减小时，判定该对节点即将发生碰撞并触发RA警报；根据即将发生碰撞的两节点之间连线的边缘权重确定关键节点；根据与关键节点连线的鲁棒性，或与关键节点连接的边的数量确定移动方向，根据移动方向形成避撞指令并向关键节点发送。该方案解决了现有技术中解脱效率低的问题，实现了飞行冲突解脱的简洁、实用、高效。

An Unmanned Aerial Vehicle Flight Conflict Resolution Method and System

The invention discloses an UAV flight conflict resolution method and a resolution system, which includes obtaining a collision space consisting of all possible collision UAV states through global data analysis; determining the collision of UAV and triggering TA alarm when the distance between any pair of UAVs in the collision space is less than or equal to the set safe distance; and based on complex network. The network model is built with the location of each UAV as the node, and the connection is established between the nodes. When the distance between each pair of nodes in conflict decreases with time, it is determined that the pair of nodes will collide and trigger RA alarm. The key node is determined according to the edge weight of the connection between the two nodes in the imminent collision. The robustness of the connection with the key node is also determined. Or the number of edges connected with the key node determines the direction of movement, and forms collision avoidance instructions according to the direction of movement and sends them to the key node. The scheme solves the problem of low efficiency in the existing technology, and realizes the simplicity, practicability and high efficiency of flight conflict resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机飞行冲突解脱方法及解脱系统
本专利技术涉及无人机
，尤其是一种无人机飞行冲突解脱方法及解脱系统。
技术介绍
近年来无人机系统被广泛运用到战争环境和城市环境中。由于执行任务环境和任务本身逐渐变得复杂，多无人机的集群作业变得越来越有研究价值。无人机之间能够实现自主防撞是无人机集群控制的前提，包括无人机群内部的防撞和无人机群之间的防撞，解决无人机群防撞问题对当前无人机集群作业具有重大意义。无人机的动力学模型较为复杂，面临的威胁也有高度不确定性。因此在无人机遇到威胁时依赖飞控计算机进行路径生成，会影响无人机群执行任务的效率，同时也可能造成连锁碰撞。考虑到无人机的集群防撞面临着空中威胁数量多，运动速度大等特点，通过对无人机群构建复杂网络，分析在受威胁状态下网络的性质以确定合适的避撞策略，使得无人机群在性能约束的条件下具备自组织防撞的能力，可大大提高在无人机集群防撞的实时性、准确性和适用性。无人机避撞有很多方法，用于避免无人机之间碰撞的抽象的方法包括蒙特卡洛方法、人工势场法、蚁群算法、遗传算法、共生模拟、几何优化、概率方法、着色Petri网、共识算法、卡尔曼滤波、马尔科夫决策过程法、基于Dubins曲线算法，预测控制算法，基于可达集的方法等，各种方法之间常常结合在一起使用。但这些方法都是考虑成对无人机防撞，没考虑复杂多机态势下的集群防撞问题，同时存在迭代次数多、计算复杂、实时性不好等缺点，无法适用于无人机技术高速发展背景下的无人机集群防撞需求。当无人机数量增多，需要适应于大规模的无人机防撞方法。提供了多机情况下的冲突解脱方案，普遍存在效率较低的问题。专利
技术实现思路
本专利技术提供一种无人机飞行冲突解脱方法及解脱系统，用于克服现有技术中多机冲突解脱效率低等缺陷，提高无人机群飞行冲突解脱的效率，方式简洁、且适用性强。为实现上述目的，本专利技术提出一种人机飞行冲突解脱方法，包括：步骤1，通过全域数据分析获得所有可能撞击的无人机的状态，所有的所述无人机组成的空域为碰撞空间；步骤2，在所述碰撞空间内任意一对无人机之间的距离小于或等于设定的安全距离时，判定该对无人机发生冲突并触发TA警报；步骤3，根据无人机在卡迪尔三维坐标系统中的位置，基于复杂网络以每个无人机所在位置为节点建立网络模型；并在每对发生冲突的节点之间建立连接；在发生冲突的每对节点之间的距离随时间逐渐减小时，判定该对节点即将发生碰撞并触发RA警报；步骤4，根据即将发生碰撞的两节点之间连线的边缘权重确定关键节点；步骤5，根据与所述关键节点连线的鲁棒性，或与所述关键节点连接的节点的数量确定所述关键节点的移动方向，根据所述关键节点的移动方向形成避撞指令并向所述关键节点发送。为实现上述目的，本专利技术还提供一种无人机飞行冲突解脱系统，包括：空域获取模块，用于通过全域数据分析获得所有可能撞击的无人机的状态，所有的所述无人机组成的空域为碰撞空间；冲突判定模块，用于在所述碰撞空间内任意一对无人机之间的距离小于或等于设定的安全距离时，判定该对无人机发生冲突并触发TA警报；碰撞判定模块，用于根据无人机在卡迪尔三维坐标系统中的位置，基于复杂网络以每个无人机所在位置为节点建立网络模型；并在每对发生冲突的节点之间建立连接；在发生冲突的每对节点之间的距离随时间逐渐减小时，判定该对节点即将发生碰撞并触发RA警报；关键节点模块，用于根据即将发生碰撞的两节点之间连线的边缘权重确定关键节点；避撞方向模块，用于根据与所述关键节点连线的鲁棒性，或与所述关键节点连接的边的数量确定所述关键节点的移动方向，根据所述关键节点的移动方向形成避撞指令并向所述关键节点发送。本专利技术提供的无人机飞行冲突解脱方法及解脱系统，首先通过对全域数据分析能获得由所有可能发生撞击的无人机的状态构成的碰撞空间，在碰撞空间内根据设定的安全距离，判断发生冲突的无人机对，基于复杂网络以发生冲突的无人机为节点建立网络模型，在每对发生冲突的节点之间建立连接，并在两节点逐渐靠近时认为即将发生碰撞，选择连接线经过最多(边缘权重最大)的节点为关键点，通过复杂网络的鲁棒性迅速减小选择关键节点的避撞方向，来达到网络尽快溃散的目的，实现无人机群之间的威胁尽快消除；将全局空域分为很多小块，无人机分布在不同的子空间中，假设两群互相合作的无人机群朝着相反的方向飞行，在有实时通信的环境下所有的无人机朝着既定的目标进行飞行同时需要执行避撞操作；每一架无人机都配备有飞行轨迹控制单元，避撞系统计算出的避撞策略通过实时数据链接与周边的无人机进行信息交互；本文提出的的无人机避撞算法具有简洁、高效、实用等特点，最重要的是它考虑了每一时刻无人机群系统的安全性指标使得整个飞行过程整体的安全性达到最大，这样的特性对于无人机群而言是非常有利的。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中无人机防撞概念图；图2为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中无人机群复杂网络概念图；图3a为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中关键节点选择的初始状况示意图；图3b为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中关键节点选择的第一个关键节点实施避撞的示意图；图3c为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中关键节点选择的第一个关键节点实施避撞的示意图；图3d为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中关键节点选择的第一个关键节点实施避撞的示意图；图4为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中关键节点选择的流程图；图5为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中关键节点避撞方向选择的流程图；图6为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中无人机群垂直平面防撞场景示意图；图7为图6场景下无人机之间的相对距离仿真图；图8为图6场景下防撞过程中的网络连接示意图；图9为本专利技术实施例一提供的无人机飞行冲突解脱方法中无人机群随机位置防撞场景示意图；图10为图9所示场景下无人机之间的相对距离仿真图；图11为图9场景下防撞过程中的网络连接示意图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明，本专利技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利技术的描述中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机飞行冲突解脱方法，其特征在于，包括：步骤1，通过全域数据分析获得所有可能撞击的无人机的状态，所有的所述无人机组成的空域为碰撞空间；步骤2，在所述碰撞空间内任意一对无人机之间的距离小于或等于设定的安全距离时，判定该对无人机发生冲突并触发TA警报；步骤3，根据无人机在卡迪尔三维坐标系统中的位置，基于复杂网络以每个无人机所在位置为节点建立网络模型；并在每对发生冲突的节点之间建立连接；在发生冲突的每对节点之间的距离随时间逐渐减小时，判定该对节点即将发生碰撞并触发RA警报；步骤4，根据即将发生碰撞的两节点之间连线的边缘权重确定关键节点；步骤5，根据与所述关键节点连线的鲁棒性，或与所述关键节点连接的边的数量确定所述关键节点的移动方向，根据所述关键节点的移动方向形成避撞指令并向所述关键节点发送。

【技术特征摘要】
1.一种无人机飞行冲突解脱方法，其特征在于，包括：步骤1，通过全域数据分析获得所有可能撞击的无人机的状态，所有的所述无人机组成的空域为碰撞空间；步骤2，在所述碰撞空间内任意一对无人机之间的距离小于或等于设定的安全距离时，判定该对无人机发生冲突并触发TA警报；步骤3，根据无人机在卡迪尔三维坐标系统中的位置，基于复杂网络以每个无人机所在位置为节点建立网络模型；并在每对发生冲突的节点之间建立连接；在发生冲突的每对节点之间的距离随时间逐渐减小时，判定该对节点即将发生碰撞并触发RA警报；步骤4，根据即将发生碰撞的两节点之间连线的边缘权重确定关键节点；步骤5，根据与所述关键节点连线的鲁棒性，或与所述关键节点连接的边的数量确定所述关键节点的移动方向，根据所述关键节点的移动方向形成避撞指令并向所述关键节点发送。2.根据权利要求1所述的无人机飞行冲突解脱方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤11，为每个无人机定义编号，每个编号对应一组状态信息，所述状态信息包括：速度、当前位置、飞行角度、当前时间、飞行状态、避撞方向选择、方向改变程度、达到最接近点剩余时间、飞行过程消耗时间和是否被选择为关键点；步骤12，通过全域数据分析获得所有可能撞击的无人机的编号，通过编号获取对应的无人机的所述状态信息；步骤13，所有无人机的编号及其状态信息组成的多维空间形成所述碰撞空间。3.如权利要求1所述的无人机飞行冲突解脱方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21，无人机在相应时间的位置表示为Pit，速度表示为Vit，则满足以下关系：其中：x为卡迪尔坐标系统中x轴的位移、y为卡迪尔坐标系统中y轴的位移、z为卡迪尔坐标系统中z轴的位移、为无人机在相应时间的俯仰角、为无人机在相应时间的水平角；步骤22，其中最大俯仰改变角度为满足以下条件：步骤23，对无人机进行邻域集的构建，无人机遇到威胁的坐标设为(x,y,z)，最小的邻域距离为rmin，最大的邻域距离为rmax，最低飞行高度为hmin，则无人机在飞行中的邻域点s的集合为：d(i,s)指的是i和s之间在一个仿真步长的欧式距离；步骤24，定义最大偏航角为Φmax，定义其到达目标的后向邻域A(i)，预计的到达角度为θgoal，则满足以下条件：步骤25，在时间t设为无人机i与无人机j之间的三维空间距离，无人机与无人机之间的相对速度为设时间为t时水平面上无人机i与无人机j之间的距离为设t时刻无人机i与无人机j在水平面上的相对速度为在检测到第一对涉及冲突的无人机时，每个无人机在第一对无人机到达危险点之前保持自己的速度，在时刻t定义为在水平面上最接近接近点CPA(closetpointofapproach)的时间：相对位置向量表示为:相对速度向量表示为:在垂直面上最接近接近点CPA的时间表示为：在满足下列条件时，认定一个TA(TrafficAlert)事件将被触发:4.如权利要求3所述的无人机飞行冲突解脱方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31，若T1表示第一对无人机触发TA警报的时间，则从T1时刻起基于复杂网络以每个无人机所在位置为节点建立网络模型；并在每对发生冲突的节点之间建立连接；步骤32，在T1时刻，检查所有发生冲突的节点是否正在接近，若两台无人机正在彼此接近时，则判定该两个节点即将发生碰撞，并触发RA警报；步骤33，连接该两个节点：其中：为水平面上的无人机的位置、为水平面上的无人机的速度、为垂直面上无人机的位置、为垂直面上无人机的速度。5.如权利要求4所述的无人机飞行冲突解脱方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤41，定义节点i与节点j之间的边缘权重为ωij：υij代表矢量方向的相对速度，dij代表...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤俊，黄洋，白亮，朱峰，老松杨，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43