一种无人机密集编队安全包络构建方法技术

本发明专利技术提供了一种无人机密集编队安全包络构建方法，其构建包括如下步骤：S1：采集编队中所有n架无人机的飞行状态参数，包括机身最大长宽高以及最大前飞、后飞、爬升、下降、侧向移动速度；S2：求解空间中可以包络编队中所有无人机空间位置点的最小包络球S的球心位置与球半径；S3：计算无人机编队在给定安全响应时间内，各个方向所能到达的最大飞行距离；S4：根据机身最大长宽高、最小包络球S的半径以及各方向最大飞行距离，解算对角矩阵M

【技术实现步骤摘要】
一种无人机密集编队安全包络构建方法


[0001]本专利技术涉及飞行器安全区域建模
，尤其涉及一种无人机密集编队安全包络构建方法。

技术介绍

[0002]由多架无人机组成的密集编队，相比个体无人机，所占飞行空域更大，且在飞行过程中需要根据任务与环境变化，动态、实时地调整编队形态。这导致无人机编队面临更大的飞行冲突可能性，飞行安全收到极大威胁。
[0003]对于无人机编队的飞行安全区域研究，国际上较少展开。已有研究主要关注于单一无人机，且思路多数与民航飞机安全区域研究接近。其中荷兰国防研究院与荷兰Delft理工大学在无人机态势感知研究中提出了机动空间的概念，其研究中未考虑动态威胁约束及飞行反应时间。美国空军研究实验室提出了3
‑
D避撞不确定性走廊的概念，其基本思想是捕捉入侵飞机的意图，为本机建立安全航路。这些研究中的无人机安全区域通常采用长方体或圆柱体等简单包围体代替，以避免采用实际飞行器形状和尺寸引起的复杂性。
[0004]上述安全区域构建方法存在一些不足。第一，其建模对象是个体飞行器，难以用于多架无人机构成的密集编队的安全态势研究；第二，针对飞行器的安全间隔标准常用于分析空旷空域和固定轨迹，而无人机编队飞行航线多变，且其所处复杂空域环境可能不足以容纳这类传统的安全区域。第三，基于传统的简单安全区域模型，无法准确地进行无人机编队冲突探测和碰撞概率计算，基于高保真动力学模型计算得到无人机编队的精确可达区域，又会产生过高的计算复杂度。因此提出一种针对无人机密集编队的低阶、高置信度安全包络建模方法是十分必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是如何构建多个无人机所组成密集编队的安全区域模型，该方法综合考虑编队中无人机的空间位置、飞行状态及响应速度，且模型复杂度低，可有效用于无人机编队低空冲突预测与避障规划。
[0006]为了解决这一技术问题，本专利技术提供了一种无人机密集编队安全包络构建方法，构建过程主要包括以下步骤：步骤一：采集编队中所有n架无人机的飞行状态参数，包括机身长度{L
i
}，机身宽度{W
i
}，机身高度{H
i
}，最大前飞速度{v
fi
}, 最大后飞速度{v
bi
}, 最大垂向爬升速度{v
ui
}, 最大垂向下降速度{v
di
}, 最大侧向移动速度{v
li
}，其中i为集群中无人机的编号（1≤i≤n）；以上每组参数各取其最大值，得到整个编队的最大机身长度L，最大机身宽度W，最大机身高度H和各个方向的最大飞行速度，所述各个方向的最大飞行速度分别为：最大前飞速度V
f
，最大后飞速度V
b
，最大垂向爬升速度V
u
，最大垂向下降速度V
d
，最大侧向移动速度V
l
；步骤二：采集编队中所有n架无人机在惯性坐标系O
xyz
中的空间位置点 [x
i
,y
i
,
z
i
]，求解得到空间中可以包络编队中所有无人机空间位置点的最小包络球S的球心空间位置Xs=[x
S
,y
S
,z
S
]和球半径R；步骤三：设定编队中无人机的安全响应时间τ；结合步骤一中采集得到的无人机编队各个方向的最大飞行速度，计算无人机编队在所给定安全响应时间τ范围内，各个方向所能达到的最大飞行距离：依次为最大前飞距离F=V
f
×
τ，最大后飞距离B=V
b
×
τ，最大爬升距离U=V
u
×
τ，最大下降距离D=V
d
×
τ，以及最大左右侧向移动距离E=G=V
l
×
τ；步骤四：根据步骤一中采集得到的无人机编队最大机身长度L，最大机身宽度W，最大机身高度H，步骤二中求解得到的最小包络球S的半径R，以及步骤三中求得的无人机编队在各个方向所能达到的最大飞行距离，构建对角矩阵，其中代表m行n列的矩阵空间：矩阵中的R+F+L/2，R+B+L/2，R+U+H/2，R+D+H/2，R+E+W/2代表在综合考虑无人机机身尺寸与无人机编队空间分布的前提下，整个无人机编队于安全响应时间τ内在各个空间方向上所能达到的最大距离；步骤五：根据步骤二中求解得到的最小包络球S的球心空间位置Xs=[x
S
,y
S
,z
S
]，以及步骤四中求解得到的对角矩阵，构建无人机编队安全包络模型E(X
s
)，其中。
[0007]优选地，所述编队中无人机数量为2架及以上。
[0008]优选地，在所述步骤二中，求解最小包络球S的球心空间位置Xs=[x
S
,y
S
,z
S
]和球半径R的方法的具体步骤如下：[1]以第一架无人机的空间位置点X1=[x1,y1,z1]和第二架无人机的空间位置点X2=[x2,y2,z2]之间距离为直径，X1与X2连线中点为球心，建立初始球S0；[2]依次判断其余各无人机空间位置点是否在球S0内；如果点X
i
在球S0内（3≤i≤n），则跳过继续判断下一空间位置点；如果点X
i
不在球S0内，则以X1和X2之间距离为直径，连
线中点为球心建立球S1；[3]依次判断前i个点是否在球S1内；如果点X
j
在球S1内（j<i），则跳过继续判断下一空间位置点；如果点X
j
不在球S1内，则求解X1、X
i
和X
j
三点组成的三角形的外接圆，以该圆半径为球半径，圆心为球心建立球S2；[4]依次判断前j个点是否在球S2内；如果点X
k
在球S2内（k<j），则跳过继续判断下一空间位置点；如果点X
k
不在球S2内，则求解X
i
、X
j
和X
k
三点组成的三角形的外接圆，以该圆半径为球半径，圆心为球心建立球S3；[5]依次判断前k个点是否在球S3内；如果点X
l
在球S3内（l<k），则跳过继续判断下一空间位置点；如果点X
l
不在球S3内，则求解X
i
、X
j
、X
k
和X
l
四点组成的四面体的最小外接球S4；比较得到S1、S2、S3、S4中的最大球S
m
；[6]将S
m
作为新的球S3，重复步骤[5]，直到前k个点均检测完毕；使用最终得到的球S3作为新的球S2，重复步骤[4]与[5]，直到前j个点均检测完毕；使用最终得到的球S2作为新的球S1，重复步骤[3]、[4]与[5]，直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机密集编队安全包络构建方法，其特征在于，构建过程主要包括以下步骤：步骤一：采集编队中所有n架无人机的飞行状态参数，包括机身长度{L
i
}，机身宽度{W
i
}，机身高度{H
i
}，最大前飞速度{v
fi
}, 最大后飞速度{v
bi
}, 最大垂向爬升速度{v
ui
}, 最大垂向下降速度{v
di
}, 最大侧向移动速度{v
li
}，其中i为集群中无人机的编号，1≤i≤n；对所述飞行状态参数取最大值，得到整个编队的最大机身长度L，最大机身宽度W，最大机身高度H和各个方向的最大飞行速度，所述各个方向的最大飞行速度分别为：最大前飞速度V
f
，最大后飞速度V
b
，最大垂向爬升速度V
u
，最大垂向下降速度V
d
，最大侧向移动速度V
l
；步骤二：采集编队中所有n架无人机在惯性坐标系O
xyz
中的空间位置点 [x
i
,y
i
,z
i
]，求解得到空间中可以包络编队中所有无人机空间位置点的最小包络球S的球心空间位置Xs=[x
S
,y
S
,z
S
]和球半径R；步骤三：设定编队中无人机的安全响应时间τ；结合步骤一中采集得到的无人机编队各个方向的最大飞行速度，计算无人机编队在所给定安全响应时间τ范围内，各个方向所能达到的最大飞行距离：依次为最大前飞距离F=V
f
×
τ，最大后飞距离B=V
b
×
τ，最大爬升距离U=V
u
×
τ，最大下降距离D=V
d
×
τ，以及最大左右侧向移动距离E=G=V
l
×
τ；步骤四：根据步骤一中采集得到的无人机编队最大机身长度L，最大机身宽度W，最大机身高度H，步骤二中求解得到的最小包络球S的半径R，以及步骤三中求得的无人机编队在各个方向所能达到的最大飞行距离，构建对角矩阵，其中代表m行n列的矩阵空间：矩阵中的R+F+L/2，R+B+L/2，R+U+H/2，R+D+H/2，R+E+W/2代表在综合考虑无人机机身尺寸与无人机编队空间分布的前提下，整个无人机编队于安全响应时间τ内在各个空间方向上所能达到的最大距离；步骤五：根据步骤二中求解得到的最小包络球S的球心空间位置Xs=[x
S
,y
S
,z
S
]，以及步骤四中求解得到的对角矩阵，构建无人机编队安全包络模型E(X
s...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道春，申童，姚卓尔，邵浩原，阚梓，刘奕良，赵仕伟，罗漳平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：