基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法及系统，涉及无人机防撞技术领域，本发明专利技术根据历史飞行数据生成状态转移概率矩阵；对状态转移概率矩阵进行填充和归一化处理生成无人机飞行场景模型数据；对无人机附近的防撞目标的飞行状态进行模拟，在防撞目标状态转移过程中加入概率因素，通过状态转移概率矩阵生成无人机飞行场景模型数据，利用少量飞行数据可以产生多个飞行模拟数据，解决在模拟生成航迹数据模型时完成参数设定后生成的模型数据缺乏多样性的问题，支持防撞策略研究和验证，为无人机探测防撞策略研究验证和无人机防撞标准制定提供数据基础。无人机防撞标准制定提供数据基础。无人机防撞标准制定提供数据基础。

【技术实现步骤摘要】
基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法及系统


[0001]本专利技术涉及无人机防撞
，具体涉及基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]无人机系统近年来飞速发展，其在军用领域和民用领域的应用潜力备受青睐。无人机飞行活动量的不断增加对空域环境内的其他飞行器以及地面环境第三方带来很大的安全隐患。无人机如果不具备自主感知和防撞能力，则只能在隔离空域内运行，无人机任务执行效率低。如果在国内公共空域运行，存在和其他飞机碰撞的威胁，一旦出现碰撞事故，将带来严重的后果。为了使无人机融入公共空域，具备与有人机同等的安全水平，实现有人/无人机混合运行，迫切需要研究无人机探测与防撞技术。
[0003]针对需要探测和防撞的目标，大致分为合作式目标和非合作式目标。合作式是无人机能够与入侵飞行器共享位置、速度以及航向等信息，以协同方式实现冲突解脱。无人机合作式感知系统要求空中飞行器都携带协同式传感器，以完成目标检测，如飞机交通警戒和防撞系统(TCAS)、广播式自动相关监视系统(ADS
‑
B)等，合作式目标探测与防撞技术相对成熟。非合作式是当无人机与入侵飞机和障碍物之间无法进行信息交互时，其依靠自身传感器，例如光电、雷达、红外等实现对入侵飞机和障碍物的感知、定位，并预测其可能飞行航迹，从而避免相撞冲突。
[0004]针对大中型无人机非合作式目标探测和防撞问题，目前国内没有相关标准，更缺乏大量有效航迹数据和飞行状态数据支撑进行标准制定和产品研发验证。在非合作式目标探测和防撞技术研究、验证和评估过程中，根据研究需求进行实际飞行获得数据是最直接和真实可靠的，但是在实际飞行实验过程中，数据常受到各种不可抗力影响导致数据不可用进而需要反复飞行，这样就造成研究成本过高、实施可行性低。针对以上实际情况，研究无人机探测视场范围内飞行目标的各种飞行状态模拟方法具有明显的实用意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：现有的无人机防撞飞行场景模拟方法生成的数据相对固定，一组参数多次生成的数据具有高度的相似性，数据多样性有所欠缺，本专利技术目的在于提供基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法及系统，对无人机附近的防撞目标的飞行状态进行模拟，在防撞目标状态转移过程中加入概率因素，通过状态转移概率矩阵生成无人机飞行场景模型数据，利用少量飞行数据可以产生多个飞行模拟数据，支持防撞策略研究和验证，为无人机探测防撞策略研究验证和无人机防撞标准制定提供数据基础。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]本方案提供基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，包括：
[0008]获取无人机的历史飞行数据，并对历史飞行数据进行预处理；
[0009]对无人机进行坐标建模，并结合预处理后的历史飞行数据生成状态转移概率矩阵；
[0010]对状态转移概率矩阵进行填充和归一化处理；
[0011]基于填充和归一化处理后的状态转移概率矩阵生成无人机飞行场景模型数据。
[0012]本方案工作原理：现有的无人机防撞飞行场景模拟方法生成的数据相对固定，一组参数多次生成的数据具有高度的相似性，数据多样性有所欠缺，本专利技术目的在于提供基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法及系统，对无人机附近的防撞目标的飞行状态进行模拟，在防撞目标状态转移过程中加入概率因素，通过状态转移概率矩阵生成无人机飞行场景模型数据，利用少量飞行数据可以产生多个飞行模拟数据，解决在模拟生成航迹数据模型时完成参数设定后生成的模型数据缺乏多样性的问题，支持防撞策略研究和验证，为无人机探测防撞策略研究验证和无人机防撞标准制定提供数据基础。
[0013]进一步优化方案为，对历史飞行数据进行预处理，包括方法：
[0014]获取出无人机在飞行目的中防撞目标的相关飞行数据；
[0015]对防撞目标的相关飞行数据进行数据标注：基于防撞目标与无人机的位置关系对相关飞行数据进行飞行类型分类，根据当前相关飞行数据所属的飞行类型将当前相关飞行数据分割成一条或多条，分割成的每条相关飞行数据属于飞行类型分类中的一种。
[0016]进一步优化方案为，所述对无人机进行坐标建模，包括方法：
[0017]针对无人机在飞行目的中的每条数据，以无人机的初始点为原点，建立三维直角坐标系；
[0018]由于防撞目标的飞行状态是连续变化的，因此要对其状态进行离散化；在三维直角坐标系下，对飞行目的中的防撞目标进行状态离散化表示；
[0019]所述状态离散化表示的方法包括：
[0020]根据防撞场景需求和防撞目标特性设定防撞目标的维速度最值，所述维速度最值包括：X轴方向速度v
x
的最大值和最小值，Y轴方向速度v
y
的最大值和最小值,Z轴方向速度v
z
的最大值和最小值；
[0021]设定防撞目标的维速度离散化点数：X轴方向速度散化点数为N
X
，Y轴方向速度散化点数为N
Y
，Z轴方向速度散化点数为N
Z
；并将各维速度离散化点数均匀量化；则防撞目标的离散化飞行状态总共有N
X
*N
Y
*N
Z
个；
[0022]对防撞目标任意时刻的相关飞行状态数据(v
x0
，v
y0
，v
z0
)，选择最近距离的离散化状态(v
x1
，v
y1
，v
z1
)，以离散化状态(v
x1
，v
y1
，v
z1
)作为相关飞行状态数据(v
x0
，v
y0
，v
z0
)状态离散化后的结果。通过三维欧氏距离三维欧氏距离选择最近距离的离散化状态，即选择使下式最小的(v
x
，v
y
，v
z
)；
[0023][0024]进一步优化方案为，所述状态转移概率矩阵的生成方法包括：
[0025]对同一种飞行类型的每条相关飞行数据进行状态离散化表示；
[0026]在下一个探测周期时，统计各相关飞行数据的状态转移情况；
[0027]基于状态转移情况统计出各相关飞行数据的转移概率，形成状态转移概率矩阵。
[0028]进一步优化方案为，所述状态转移概率矩阵为稀疏矩阵。
[0029]进一步优化方案为，状态转移概率矩阵填充的目的是减少转移概率为0的数量。考虑到若在状态转移概率矩阵中某状态α
i
到α
j
的转移概率不为0且状态α
j
与状态α
k
相近，那么α
i
到α
k
的转移概率也不为0；所述对状态转移概率矩阵进行填充和归一化处理，包括方法：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，其特征在于，包括：获取无人机的历史飞行数据，并对历史飞行数据进行预处理；对无人机进行坐标建模，并结合预处理后的历史飞行数据生成状态转移概率矩阵；对状态转移概率矩阵进行填充和归一化处理；基于填充和归一化处理后的状态转移概率矩阵生成无人机飞行场景模型数据。2.根据权利要求1所述的基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，其特征在于，所述对历史飞行数据进行预处理，包括方法：获取出无人机在飞行目的中防撞目标的相关飞行数据；对防撞目标的相关飞行数据进行数据标注：基于防撞目标与无人机的位置关系对相关飞行数据进行飞行类型分类，根据当前相关飞行数据所属的飞行类型将当前相关飞行数据分割成一条或多条，分割成的每条相关飞行数据属于飞行类型分类中的一种。3.根据权利要求2所述的基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，其特征在于，所述对无人机进行坐标建模，包括方法：针对无人机在飞行目的中的每条数据，以无人机的初始点为原点，建立三维直角坐标系；在所述三维直角坐标系下，对飞行目的中的防撞目标进行状态离散化表示；所述状态离散化表示的方法包括：根据防撞场景需求和防撞目标特性设定防撞目标的维速度最值，所述维速度最值包括：X轴方向速度v
x
的最大值和最小值，Y轴方向速度v
y
的最大值和最小值,Z轴方向速度v
z
的最大值和最小值；设定防撞目标的维速度离散化点数：X轴方向速度散化点数为N
X
，Y轴方向速度散化点数为N
Y
，Z轴方向速度散化点数为N
Z
；并将各维速度离散化点数均匀量化；则防撞目标的离散化飞行状态总共有N
X
*N
Y
*N
Z
个；对防撞目标任意时刻的相关飞行状态数据(v
x0
，v
y0
，v
z0
)，选择最近距离的离散化状态(v
x1
，v
u1
，v
z1
)，以离散化状态(v
x1
，v
y1
，v
z1
)作为相关飞行状态数据(v
x0
，v
y0
，v
z0
)状态离散化后的结果。4.根据权利要求3所述的基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，其特征在于，所述状态转移概率矩阵的生成方法包括：对同一种飞行类型的每条相关飞行数据进行状态离散化表示；在下一个探测周期时，统计各相关飞行数据的状态转移情况；基于状态转移情况统计出各相关飞行数据的转移概率，形成状态转移概率矩阵。5.根据权利要求4所述的基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，其特征在于，所述状态转移概率矩阵为稀疏矩阵。6.根据权利要求5所述的基于概率状态转移的无人机防撞飞行场景模拟方法，其特征在于，所述对状态转移概率矩阵进行填充和归一化处理，包括方法：对于稀疏矩阵中至少有一个转移概率不为0的行或列，若初状态α
i
到末状态α
j
的转移概率不为0，则填充后P
ij
仍为状态转移概率矩阵中初状态α
i
到末状态α
j
的转移概率，若初状态α
i
到末状态α
j
的转移概率为0，则根据下式计算填充转移概率：P
ij
＝P
ik
‑
K*dist(α
i
，α
k
)
其中，K＞0，K为概率离散系数，根据防撞目标机动性设定；α
k
是在状态转移概率矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵浩然，李武旭，蔡甫，王丽，冯涛，李君惠，段煜，
申请(专利权)人：四川九洲空管科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：