一种城市低空无人机航路构型设计方法技术

本发明专利技术涉及低空无人机航路构型设计技术领域，且公开了一种城市低空无人机航路构型设计方法，包括以下步骤：步骤1：基于城市空域结构、无人机飞行性能要素，设计无人机航路运行模式与规则；步骤2：结合无人机差异化运行特征，进行航段与交叉口构型分析与参数设计；步骤3：建立无人机机体坐标系与全局坐标系，构建基于航迹误差的无人机运动学模型；步骤4：从效率与安全两个方面建立无人机航路运行评价指标，通过仿真实验模拟无人机运动行为，识别各类型交叉口运行态势。本发明专利技术采用上述城市低空无人机航路构型设计方法，有助于设计高效安全的航路构型，规范了无人机运行流程，为加速无人机融入城市空域提供方法支撑。人机融入城市空域提供方法支撑。人机融入城市空域提供方法支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种城市低空无人机航路构型设计方法


[0001]本专利技术涉及低空无人机航路构型设计
，尤其是涉及一种城市低空无人机航路构型设计方法。

技术介绍

[0002]城市无人机航路属于一种特殊空域，是承载交通运输功能的空中通道。目前，城市空中交通管理尚处于初级阶段，尚未健全航路运行机制。若无人机处于无航路的自由空域，随着无人机运行规模扩大，由于缺乏航路约束与引导，空中飞行秩序趋于混乱，无人机之间极易产生冲突甚至发生碰撞事故，严重威胁了地面人民生命和财产安全。面向未来城市空域复杂混合飞行态势，为了规范无人机运行管理，亟需进行无人机航路构型设计，以保障各类型无人机平稳有序运行。
[0003]现有技术研究多针对航路微观构型进行概念性设计，对于运行模式、结构参数等具体内涵研究不足，较少考虑城市空域结构与无人机性能特征对航路设计的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种城市低空无人机航路构型设计方法，解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种城市低空无人机航路构型设计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：基于城市空域结构、无人机飞行性能要素，设计无人机航路运行模式与规则；
[0007]步骤2：结合无人机差异化运行特征，进行航段与交叉口构型分析与参数设计；
[0008]步骤3：建立无人机机体坐标系与全局坐标系，构建基于航迹误差的无人机运动学模型；
[0009]步骤4：从效率与安全两个方面建立无人机航路运行评价指标，通过仿真实验模拟无人机运动行为，识别各类型交叉口运行态势。
[0010]优选的，步骤一中，采用分层空域策略，将空域离散为若干个水平高度层；
[0011]以当地经线正北为基准，根据航路角将航路分为东向航路与西向航路，每一航路高度层遵循单向运行模式，相邻高度层运行方向相反；
[0012]结合无人机垂直起降性能，无人机在出发节点起降场执行起飞程序，垂直上升到指定高度后进入航路，到达目的节点附近空域时，执行降落程序垂直下降至起降场。
[0013]优选的，步骤二中，根据无人机构型设计球型保护区，结合无人机因姿态改变、导航定位因素导致的飞行误差，设计带有缓冲区的圆柱型管道航段；
[0014]设计沿路型交叉口、环岛型交叉口，并根据无人机性能与运行要求设置交叉口转弯半径；
[0015]对于沿路型交叉口，无人机沿航路飞行，到达沿路型交叉口时改变航向或保持直
行，两条航路的航路角分别为α1,α2，航路夹角为τ＝|α1‑
α2|，当航路夹角不大于无人机最大转弯角τ
max
时，无人机进行转弯，无人机受力平衡方程为：
[0016][0017]其中，F为旋翼升力，φ为无人机滚转角，m为无人机质量，v为无人机速度，r为转弯半径，g为重力加速度；
[0018]由无人机受力平衡方程推导出无人机的最小转弯半径r
min
：
[0019][0020]其中，φ
max
为无人机最大滚转角；
[0021]设定无人机在航路交叉区域执行转弯操作，无人机存在最大转弯半径r
max
，航路转弯半径满足：
[0022]r
min
＜r＜r
max
[0023]对于环岛型交叉口，无人机进入环岛后右转沿中心岛逆时针飞行，环岛连接的航路间满足最小安全间隔要求，相邻航路间所对应的最小交叉角η
min
为：
[0024][0025]其中，S
min
为无人机最小安全间隔，R为环岛半径；垂直航路位于环岛圆心处，R≥S
lat
时无人机运行安全；
[0026]根据环岛连接的航路相交方式，最小环岛半径有两种计算方法：
[0027]计算方法1，环岛连接的航路沿圆心均匀分布，相邻航路间夹角相等，环岛所包含的最大航路数量为n，其对应的最小环岛半径R
min
为：
[0028][0029]计算方法2，环岛连接n条航路，且所有航路延长线不相交于同一点，相邻航路间的夹角分别为τ1,τ2,...,τ
(n
‑
1)
，最小环岛半径R
′
min
为：
[0030][0031]基于以上分析，环岛半径满足：
[0032]R≥max(r
min
,R
min
,R
′
min
)。
[0033]优选的，步骤三中，采用机体坐标系和全局坐标系进行无人机定位，设为无人机在全局坐标系中的位置向量，为无人机在机体坐标系中的位置误差向量，该时刻无人机在全局坐标系中的位置l表示为：
[0034][0035]其中，R表示旋转矩阵；
[0036]假设无人机航迹误差在机体坐标系中的三个方向相互独立，则代表该变量服从期望为0、方差为Λ的正态分布，将无人机保护区球心看成质点，在t时刻，经过Δt时间，无人机位置向量表示为：
[0037][0038]其中，v为无人机在全局坐标系中的速度向量。
[0039]优选的，步骤四中，采用交叉口通过率、通行时间、冲突概率三个指标从效率与安全两方面评估无人机航路运行态势：
[0040]交叉口通过率为交叉口通行量与总出发无人机架次之比，单位时间内存在n架无人机计划通过交叉口，交叉口通过率C
uav
表示为：
[0041][0042]其中，m为交叉口连接的航路数量，f
ijk
为0
‑
1变量，f
ijk
＝1表示第k架无人机从i航路经过交叉口飞入j航路，f
ijk
＝0表示无人机未飞入交叉口或在交叉口等待；
[0043]交叉口通行时间为所有通过交叉口的无人机总通行时间，单位时间内通过交叉口的无人机集合为所有无人机交叉口通行时间W
uav
表示为：
[0044][0045]其中，Δt
ijk
为号无人机通过i,j航路交叉口时间；
[0046]冲突概率为两架无人机在航路发生冲突的可能性，两架无人机k
f
与先后通过同一交叉口，在t时刻，无人机在纵向、侧向和垂直均存在相互独立的航迹误差，两架无人机之间的冲突概率视为三个方向冲突概率之积，为：
[0047][0048]其中，为两架无人机保护区球心之间的距离，D
x
,D
y
,D
z
分别为两架无人机之间沿x,y,z轴的安全间隔；
[0049]对于坐标轴x，两架无人机存在冲突风险的概率为：
[0050][0051]其中，σ
1x
,σ
2x
分别为两架无人机在全局坐标系中航迹误差标准差，μ
1x
,μ
2x
分别为两架无人机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市低空无人机航路构型设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：基于城市空域结构、无人机飞行性能要素，设计无人机航路运行模式与规则；步骤2：结合无人机差异化运行特征，进行航段与交叉口构型分析与参数设计；步骤3：建立无人机机体坐标系与全局坐标系，构建基于航迹误差的无人机运动学模型；步骤4：从效率与安全两个方面建立无人机航路运行评价指标，通过仿真实验模拟无人机运动行为，识别各类型交叉口运行态势。2.根据权利要求1所述的城市低空无人机航路构型设计方法，其特征在于：步骤一中，采用分层空域策略，将空域离散为若干个水平高度层；以当地经线正北为基准，根据航路角将航路分为东向航路与西向航路，每一航路高度层遵循单向运行模式，相邻高度层运行方向相反；结合无人机垂直起降性能，无人机在出发节点起降场执行起飞程序，垂直上升到指定高度后进入航路，到达目的节点附近空域时，执行降落程序垂直下降至起降场。3.根据权利要求2所述的城市低空无人机航路构型设计方法，其特征在于：步骤二中，根据无人机构型设计球型保护区，结合无人机因姿态改变、导航定位因素导致的飞行误差，设计带有缓冲区的圆柱型管道航段；设计沿路型交叉口、环岛型交叉口，并根据无人机性能与运行要求设置交叉口转弯半径；对于沿路型交叉口，无人机沿航路飞行，到达沿路型交叉口时改变航向或保持直行，两条航路的航路角分别为α1,α2，航路夹角为τ＝|α1‑
α2|，当航路夹角不大于无人机最大转弯角τ
max
时，无人机进行转弯，无人机受力平衡方程为：其中，F为旋翼升力，φ为无人机滚转角，m为无人机质量，v为无人机速度，r为转弯半径，g为重力加速度；由无人机受力平衡方程推导出无人机的最小转弯半径r
min
：其中，φ
max
为无人机最大滚转角；设定无人机在航路交叉区域执行转弯操作，无人机存在最大转弯半径r
max
，航路转弯半径满足：r
min
＜r＜r
max
对于环岛型交叉口，无人机进入环岛后右转沿中心岛逆时针飞行，环岛连接的航路间满足最小安全间隔要求，相邻航路间所对应的最小交叉角η
min
为：其中，S
min
为无人机最小安全间隔，R为环岛半径；垂直航路位于环岛圆心处，R≥S
lat
时
无人机运行安全；根据环岛连接的航路相交方式，最小环岛半径有两种计算方法：计算方法1，环岛连接的航路沿圆心均匀分布，相邻航路间夹角相等，环岛所包含的最大航路数量为n，其对应的最小环岛半径R
min
为：计算方法2，环岛连接n条航路，且所有航路延长线不相交于同一点，相邻航路间的夹角分别为τ1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李姗，张洪海，李卓伦，黄及水，叶伊宁，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：