本發(fā)明涉及空中交通智能化領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域、民用領(lǐng)域的用途不斷拓展，無(wú)人機(jī)的飛行范圍、運(yùn)行時(shí)間成倍增長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)與有人機(jī)共域飛行已是必然趨勢(shì)。但同時(shí)，無(wú)人機(jī)與有人機(jī)之間的飛行沖突和安全問(wèn)題日益突出，而無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)正是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

自動(dòng)避撞系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，它直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的交通安全和智能化水平，也是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)更為廣泛應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)之一。隨著空中無(wú)人機(jī)的數(shù)量和種類越來(lái)越多、無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，“感知-避讓”是進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)自主化水平必須要面對(duì)問(wèn)題。目前，無(wú)人機(jī)的自動(dòng)避撞系統(tǒng)的研究還停留在基礎(chǔ)階段，許多理論和技術(shù)上的問(wèn)題有待研究解決，因此，從實(shí)際需求出發(fā)，研究無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)問(wèn)題對(duì)于無(wú)人機(jī)安全飛行極其重要，也是為無(wú)人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

當(dāng)無(wú)人機(jī)與有人飛機(jī)，特別是與民用運(yùn)輸機(jī)共享空域時(shí)，防相撞安全問(wèn)題將是我們不得不考慮和解決的問(wèn)題。自動(dòng)避撞系統(tǒng)能夠有力提升無(wú)人機(jī)的智能化交通水平，其實(shí)質(zhì)就是防止無(wú)人機(jī)與其他航空器空中相撞。有人機(jī)依靠飛行員進(jìn)行態(tài)勢(shì)判斷和決策，對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)就是自動(dòng)避撞系統(tǒng)，“自動(dòng)避撞系統(tǒng)通過(guò)無(wú)人機(jī)自身攜帶的傳感器對(duì)空域探測(cè)，基于數(shù)據(jù)鏈路或衛(wèi)星與其它有人駕駛飛機(jī)、無(wú)人機(jī)及地面站進(jìn)行通訊，自動(dòng)生成決策，應(yīng)對(duì)各種威脅，實(shí)時(shí)更新飛行策略，確保飛行不發(fā)生相撞事故?？傊?，要消除無(wú)人機(jī)“非隔離空域”運(yùn)行安全的隱患，使無(wú)人機(jī)具有“感知-避讓”能力是其安全飛行的必要手段。為此，必須采取必要的技術(shù)措施，研究各類飛行環(huán)境中的“感知”技術(shù)，并根據(jù)“感知”情況，研究基于無(wú)人機(jī)飛行決策、飛行控制下的沖突“避讓”技術(shù)，形成避讓方案，并自動(dòng)優(yōu)化及恢復(fù)航線，即研究無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)。

安全問(wèn)題長(zhǎng)期得不到很好的解決是制約無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。由于無(wú)人機(jī)缺乏自主的“感知-避讓”能力，空中相撞事故頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年到2012年美國(guó)發(fā)生了11起無(wú)人機(jī)與有人機(jī)相撞事件。而且“感知-避讓”能力不足使軍用無(wú)人機(jī)各項(xiàng)技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)受到限制，其戰(zhàn)斗力不能有效發(fā)揮，至使軍用遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)發(fā)展進(jìn)程緩慢；對(duì)于民用無(wú)人機(jī)而言，其影響了民用無(wú)人機(jī)在攝影、測(cè)繪、勘探、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、海岸緝私等行業(yè)充分應(yīng)用。安全問(wèn)題制約著無(wú)人機(jī)乃至航空工業(yè)的發(fā)展。解決無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題，最有效途徑就是解決“感知-避讓”問(wèn)題，美國(guó)和歐洲對(duì)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)避撞系統(tǒng)都提出了明確要求并展開深入的研究。無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)能從根本上解決無(wú)人機(jī)在共域飛行時(shí)與其他航空器的飛行安全問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前，無(wú)人機(jī)感知避讓系統(tǒng)中有許多技術(shù)、方法結(jié)合在一起來(lái)降低無(wú)人機(jī)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。例如，無(wú)人機(jī)地面管控系統(tǒng)，用于監(jiān)管、控制空域中所有受控?zé)o人機(jī)，并時(shí)刻保持與空中交通管理系統(tǒng)的通信，一旦發(fā)現(xiàn)碰撞沖突后，則由地面指控人員控制執(zhí)行避撞策略，防止無(wú)人機(jī)發(fā)生碰撞；而無(wú)人機(jī)的自動(dòng)避撞系統(tǒng)可使無(wú)人機(jī)自主規(guī)避碰撞，而不需地面操縱人員的干預(yù)。在這些技術(shù)方法中，對(duì)潛在目標(biāo)的精確監(jiān)視是一個(gè)關(guān)鍵步驟，目標(biāo)的錯(cuò)過(guò)或者其位置的錯(cuò)誤判斷將降低其有效性。監(jiān)視就是指無(wú)人機(jī)通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)快速得到目標(biāo)的準(zhǔn)確信息，多傳感器信息融合技術(shù)已成為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)環(huán)境態(tài)勢(shì)感知的關(guān)鍵和核心，但當(dāng)前的多傳感器融合技術(shù)還不成熟，需要得到進(jìn)一步的改進(jìn)與提高。無(wú)人機(jī)多傳感器融合技術(shù)必須列在研究工作的第一位。

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)威脅的分析評(píng)估技術(shù)是無(wú)人機(jī)沖突評(píng)估與預(yù)測(cè)技術(shù)的核心部分，是支撐無(wú)人機(jī)自動(dòng)避讓的關(guān)鍵技術(shù)。靜態(tài)威脅分析評(píng)估技術(shù)主要是為各種靜態(tài)威脅建立評(píng)估模型，計(jì)算安全余度，嵌入無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境模型中以支持后續(xù)的告警技術(shù)。動(dòng)態(tài)威脅分析評(píng)估技術(shù)是通過(guò)機(jī)載和地面監(jiān)視設(shè)備對(duì)無(wú)人機(jī)在空域中的位置、高度和速度等信息進(jìn)行計(jì)算，利用它們的飛行計(jì)劃與當(dāng)前時(shí)刻的航行諸元來(lái)預(yù)測(cè)它們未來(lái)時(shí)刻的位置和相撞風(fēng)險(xiǎn)。但目前的分析評(píng)估技術(shù)準(zhǔn)確性不高且有延時(shí)的缺點(diǎn)，必須進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

沖突解脫技術(shù)是無(wú)人機(jī)沖突避讓策略研究的主要研究?jī)?nèi)容，多采用智能算法對(duì)計(jì)劃路徑點(diǎn)序列進(jìn)行調(diào)整，生成最大可能按預(yù)期執(zhí)行順序飛行的無(wú)沖突路徑。但目前的研究大多停留于二維空間與雙機(jī)之間的沖突解脫，而三維空間中多機(jī)沖突解脫技術(shù)才是能夠使無(wú)人機(jī)與其它航空器共域飛行的關(guān)鍵支撐技術(shù)。無(wú)人機(jī)沖突解脫技術(shù)的發(fā)展水平?jīng)Q定著無(wú)人機(jī)是否能飛出隔離空域，也決定著無(wú)人機(jī)與其它航空器共域飛行時(shí)的安全度水平。

綜上所述，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中并沒有能替代有人機(jī)上飛行員來(lái)判斷并避讓危險(xiǎn)的自動(dòng)避撞裝置，因此無(wú)人機(jī)與有人機(jī)共域飛行時(shí)，極易發(fā)生無(wú)人機(jī)與其他航空器、無(wú)人機(jī)與地面障礙物之間的相撞事故，空中飛行安全難以保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)能夠與無(wú)人機(jī)機(jī)載動(dòng)作系統(tǒng)相融合，進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)飛行安全“技術(shù)防”的水平，降低將航空器上飛行員轉(zhuǎn)移至地面所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高無(wú)人機(jī)飛行安全水平和無(wú)人機(jī)空管智能化水平，達(dá)到與有人機(jī)相當(dāng)?shù)娘w行安全等級(jí)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)，包括：

無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知模塊，用于信號(hào)級(jí)或像素級(jí)的目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，以及從信息中抽象出對(duì)環(huán)境的整體性認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的認(rèn)知，包括目標(biāo)行為理解、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)以及態(tài)勢(shì)理解；

無(wú)人機(jī)防相撞威脅評(píng)估與預(yù)測(cè)模塊，用于在無(wú)人機(jī)在空域運(yùn)行中，對(duì)所探測(cè)區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)障礙和動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估與沖突趨勢(shì)預(yù)測(cè)，使無(wú)人機(jī)具備及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)測(cè)和評(píng)估飛行沖突的能力，確保無(wú)人機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的采取規(guī)避機(jī)動(dòng)，防止不安全事故的發(fā)生；

無(wú)人機(jī)決策避撞模塊，用在無(wú)人機(jī)通過(guò)評(píng)估預(yù)測(cè)得到飛行沖突趨勢(shì)后，生成相應(yīng)的行為選擇，并通過(guò)飛行軌跡規(guī)劃器及時(shí)規(guī)劃出可飛的最優(yōu)避撞路徑，并輸出規(guī)避決策和機(jī)動(dòng)指令，使飛控系統(tǒng)能夠按照指令操縱飛機(jī)自主飛行。

其中，所述無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知模塊包括：

多源信息融合與處理模塊，要由傳感器組進(jìn)行多源信息輸入，然后將輸入的信息發(fā)送到態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊；

態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)離線地圖和機(jī)載導(dǎo)航裝置的支持，生成關(guān)聯(lián)態(tài)勢(shì)信息，并可用于相撞威脅評(píng)估和相撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。其中，所述無(wú)人機(jī)防相撞威脅評(píng)估與預(yù)測(cè)模塊包括：

目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)器，用于通過(guò)非合作式目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)方法對(duì)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)；

安全威脅預(yù)測(cè)模塊，用于通過(guò)幾何方法，基于空管數(shù)據(jù)庫(kù)中的間隔標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛行沖突進(jìn)行預(yù)測(cè)。

其中，所述無(wú)人機(jī)決策避撞模塊包括避撞決策模塊、飛行軌跡規(guī)劃器和避撞指令模塊，避撞決策模塊通過(guò)避撞規(guī)則庫(kù)和解決方法組合選擇器的支持得出避撞決策，并將避撞決策發(fā)送到飛行軌跡規(guī)劃器，飛行軌跡規(guī)劃器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以及避撞機(jī)動(dòng)庫(kù)的支持，進(jìn)行動(dòng)態(tài)飛行航跡的規(guī)劃，主要涉及避撞規(guī)則、構(gòu)建規(guī)劃空間算法、無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型、代價(jià)函數(shù)和算法求解等方面。

其中，動(dòng)態(tài)飛行航跡的規(guī)劃問(wèn)題可以看成是一個(gè)求解最優(yōu)問(wèn)題的過(guò)程，尋找一組決策變量在滿足其約束條件下飛目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，用數(shù)學(xué)形式表示如下：

式中：x＝(x1，x2，…，xn)^t∈r是決策變量，j(x)是目標(biāo)函數(shù)，gi(x)(i＝1，2，…，m)與hi(x)(i＝1，2，…，l)為約束函數(shù)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明結(jié)合無(wú)人機(jī)機(jī)載傳感器、通信系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)的自動(dòng)感知-避讓，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)防相撞的系統(tǒng)化、自動(dòng)化、智能化，顯著提高無(wú)人機(jī)與其他航空器(尤其是有人駕駛航空器)共用空域時(shí)所有航空器的飛行安全。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中安全威脅評(píng)估模塊的原理圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)避撞系統(tǒng)，包括：

無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知模塊，用于信號(hào)級(jí)或像素級(jí)的目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，以及從信息中抽象出對(duì)環(huán)境的整體性認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的認(rèn)知，包括目標(biāo)行為理解、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)以及態(tài)勢(shì)理解；

無(wú)人機(jī)防相撞威脅評(píng)估與預(yù)測(cè)模塊，用于在無(wú)人機(jī)在空域運(yùn)行中，對(duì)所探測(cè)區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)障礙、和動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估與沖突預(yù)測(cè)，使無(wú)人機(jī)具備及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)測(cè)和評(píng)估飛行沖突的能力，確保無(wú)人機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的采取規(guī)避機(jī)動(dòng)，防止不安全事故的發(fā)生；

無(wú)人機(jī)決策避撞模塊，用在無(wú)人機(jī)通過(guò)評(píng)估預(yù)測(cè)得到飛行沖突趨勢(shì)后，生成相應(yīng)的行為選擇，并通過(guò)飛行軌跡規(guī)劃器及時(shí)規(guī)劃出可飛的最優(yōu)避撞路徑，并輸出規(guī)避決策和機(jī)動(dòng)指令，使飛控系統(tǒng)能夠按照指令操縱飛機(jī)自主飛行。

所述無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知模塊包括：

多源信息融合與處理模塊，要由由光電、紅外、激光、雷達(dá)等傳感器組進(jìn)行多源信息輸入，然后將輸入的信息發(fā)送到態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊；

態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊，用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)離線地圖和機(jī)載導(dǎo)航裝置的支持，生成關(guān)聯(lián)態(tài)勢(shì)信息，并可用于相撞威脅評(píng)估和相撞風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。所述無(wú)人機(jī)防相撞威脅評(píng)估與預(yù)測(cè)模塊包括

目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)器，用于通過(guò)非合作式目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)方法對(duì)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)；

安全威脅預(yù)測(cè)模塊，用于通過(guò)幾何方法，基于空管數(shù)據(jù)庫(kù)中的間隔標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛行沖突進(jìn)行預(yù)測(cè)；安全威脅評(píng)估模塊的原理是采用幾何方法，基于空管數(shù)據(jù)庫(kù)中的間隔標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛行相撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖2所示，以無(wú)人機(jī)為原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)系中，無(wú)人機(jī)靜態(tài)保護(hù)區(qū)i、靜態(tài)保護(hù)區(qū)ii與動(dòng)態(tài)避撞區(qū)分別用以探測(cè)無(wú)人機(jī)與入侵機(jī)之間的飛行沖突趨勢(shì)、空中危險(xiǎn)接近趨勢(shì)與飛行碰撞趨勢(shì)，靜態(tài)保護(hù)區(qū)考慮建立圓柱體保護(hù)區(qū)模型，動(dòng)態(tài)避撞區(qū)考慮根據(jù)無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)能力建立三維空間中避撞區(qū)模型。

所述無(wú)人機(jī)決策避撞模塊包括避撞決策模塊、飛行軌跡規(guī)劃器和避撞指令模塊，避撞決策模塊通過(guò)避撞規(guī)則庫(kù)和解決方法組合選擇器的支持得出避撞決策，并將避撞決策發(fā)送到飛行軌跡規(guī)劃器，飛行軌跡規(guī)劃器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以及避撞機(jī)動(dòng)庫(kù)的支持，進(jìn)行動(dòng)態(tài)飛行航跡的規(guī)劃，主要涉及避撞規(guī)則、構(gòu)建規(guī)劃空間算法、無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型、代價(jià)函數(shù)和算法求解等方面。

動(dòng)態(tài)飛行航跡的規(guī)劃問(wèn)題可以看成是一個(gè)求解最優(yōu)問(wèn)題的過(guò)程，尋找一組決策變量在滿足其約束條件下飛目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，用數(shù)學(xué)形式表示如下：

式中：x＝(x1，x2，…，xn)^t∈r是決策變量，j(x)是目標(biāo)函數(shù)，gi(x)(i＝1，2，…，m)與hi(x)(i＝1，2，…，l)為約束函數(shù)。

本具體實(shí)施結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行空管規(guī)則，增設(shè)空管數(shù)據(jù)接口，從空中交通管理和飛行安全管理層級(jí)，給出了無(wú)人機(jī)空域運(yùn)行時(shí)在防相撞問(wèn)題上的系統(tǒng)解決方案，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知并避讓的系統(tǒng)化、自動(dòng)化、智能化，提高無(wú)人機(jī)空域運(yùn)行的安全性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。