无人机机载防撞逻辑设计方法与流程

1.本发明涉及机载综合防撞技术领域，具体涉及一种无人机机载防撞逻辑设计方法。


背景技术：

2.随着无人机技术的快速发展，其在各领域的应用越来越广泛。然而无人机无法依靠飞行员来规避与空域内其他航空器的碰撞风险，为了减少无人机飞行活动对其它航空器的干扰，确保空域内的飞行安全，无人机需要具备自主防撞能力。当前安装在民航客机上的空中交通防撞系统(traffic collision avoidance system,tcas)已被证明可以显著降低空中碰撞的风险，但是由于其防撞逻辑中包含了许多启发式规则的复杂设计，难以对其进行修改以适应无人机的防撞要求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本说明书实施例提供一种无人机机载防撞逻辑设计方法，以达到提高防撞系统的可靠性和实用性的目的。
4.本说明书实施例提供以下技术方案：一种无人机机载防撞逻辑设计方法，包括以下步骤：步骤一、设置防撞逻辑初始参数；步骤二、根据防撞逻辑初始参数建立飞机相遇动态模型；步骤三、根据设定的转弯率和飞机相遇动态模型，计算飞机执行各动作后下一时刻状态及对应概率；步骤四、将步骤三中下一时刻状态离散至状态空间的各个离散点上，并计算转移概率，将对应概率和转移概率综合，得到最终的离散状态转移概率；步骤五、根据步骤四中的结果，计算飞机当前时刻执行各动作的代价；步骤六、根据步骤五中的各动作的代价值，选取最优动作；步骤七、重复执行步骤三至步骤六，通过动态规划得到完整的防撞逻辑策略。
5.进一步地，步骤二具体为：飞机相遇过程中的状态为:离散的动态模型为:x(t δt)＝f[x(t)，a(t)，w(t)]；飞机的运动方程f(
·
)为：
其中，w(t)是一个表示飞机水平方向转弯率噪声的随机变量，a(t)是本机当前时刻执行的动作，ρ为两机之间的水平距离，θ为本机相对于入侵机的方位角，为入侵机的相对航向角，v
own
和v
int
分别为本机和入侵机的速度，u
own
和u
int
分别为本机和入侵机的转弯速率，τ为两架飞机到垂直方向距离为0时所需要的时间。x
′
own
、y
′
own
、x
′
int
和y
′
int
分别为本机和入侵机的x和y方向的速度。
[0006]
进一步地，步骤三具体为：利用有限个sigma采样点表示飞机处在离散状态s(t)时执行动作集内各动作后的转弯率，根据这些转弯率对可以得到下一时刻状态为：
[0007]
则该时刻状态下对应的概率为：其中，n为采样点个数。
[0008]
进一步地，步骤四具体为：利用多线性插值法将下一时刻各个可能状态xn(t δt)转移到离散状态空间的各个离散状态点s
′
(t δt)上，并计算其转移概率为pr(s
′
(t δt)|xn(t δt))，可以得到飞机处在离散状态s(t)时执行动作a(t)，下一时刻转移到离散状态s
′
(t δt)的概率为
[0009][0010]
进一步地，步骤五具体为：在离散状态s(t)执行动作a(t)的代价为
[0011][0012]
其中，c[s(t)，a(t)]为根据执行动作类型和判断是否发生近空碰撞计算得到的固定代价。
[0013]
进一步地，步骤六具体为：在离散状态s(t)执行各个动作的最优期望代价为
[0014][0015]
则在离散状态s(t)的最优防撞策略满足
[0016]
进一步地，无人机机载防撞逻辑设计方法还包括步骤八：对步骤七中的逻辑数据进行压缩处理。
[0017]
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：通过决策理论与动态规划相结合的方法来设计无人机机载防撞逻辑单元，并对庞大的防撞逻辑表数据进行压缩，提高防撞系统的可靠性和实用性。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例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获得其它的附图。
[0019]
图1是本发明实施例的流程示意图；
[0020]
图2是本发明实施例中飞机相遇模型示意图。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
[0022]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0023]
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种无人机机载防撞逻辑设计方法，包括以下步骤：
[0024]
步骤1：设置防撞逻辑初始参数。根据飞机性能、空域要求和防撞要求等设置动作集、状态维数及对应的离散状态空间等防撞逻辑初始参数。动作集内设置5种动作，分别为无冲突风险(coc)、左转(wl)、右转(wr)、增强型左转(sl)和增强型右转(sr)。离散状态空间维数为7维，分别为ρ、θ、v
own
、v
int
、τ和a
prev
。
[0025]
步骤2：建立飞机相遇动态模型。飞机相遇过程中的状态为
[0026][0027]
离散的动态模型为
[0028]
x(t δt)＝f[x(t),a(t),w(t)]
ꢀꢀ
(2)
[0029]
其中w(t)是一个表示飞机水平方向转弯率噪声的随机变量，a(t)是本机当前时刻执行的动作。飞机的运动方程f(g)可以表示为
[0030][0031]
其中ρ为两机之间的水平距离，θ为本机相对于入侵机的方位角，为入侵机的相对航向角，v
own
和v
int
分别为本机和入侵机的速度，u
own
和u
int
分别为本机和入侵机的转弯速率，τ为两架飞机到垂直方向距离为0时所需要的时间。x
′
own
、y
′
own
、x
′
int
和y
′
int
分别为本机和入侵机的x和y方向的速度，可根据上述参数计算得到。
[0032]
步骤3：计算飞机执行各动作后下一时刻状态及对应概率。利用有限个sigma采样点表示飞机处在离散状态s(t)时执行动作集内各动作后的转弯率，根据这些转弯率对可以得到下一时刻状态为
[0033][0034]
该状态对应的概率为
[0035][0036]
其中n为采样点个数。
[0037]
sigma采样执行每个动作后的飞机转弯率，可以得到3个可能的转弯率，其概率分别为[0.25,0.5,0.5]，执行coc的可能转弯率为[-1.5,0,1.5]
°
/s，执行wl的可能转弯率为[1.0,1.5,2.0]
°
/s,执行wr的可能转弯率为[-2.0,-1.5,-1.0]
°
/s,执行sl的可能转弯率为[2.0,3.0,4.0]
°
/s,执行sr的可能转弯率为[-4.0,-3.0,-2.0]
°
/s。将本机和入侵机的可能转弯率进行组合，可以得到9个转弯率对以及每个转弯率对的对应概率根据这些转弯率对可以得到下一时刻两机相遇的多个可能状态及对应概率。
[0038]
步骤4：离散飞机下一时刻各个可能状态。利用多线性插值法将下一时刻各个可能状态xn(t δt)转移到离散状态空间的各个离散状态点s
′
(t δt)上。并计算其转移概率为pr(s
′
(t δt)|xn(t δt))。可以得到飞机处在离散状态s(t)时执行动作a(t)，下一时刻转移到离散状态s
′
(t δt)的概率为
[0039][0040]
在一维的线性插值中，假设在区间[x
1 x2]中对x进行插值，可得到如下公式
[0041][0042]
其中，β1和β2就是插值后离散状态x1和x2的概率。将两机相遇状态xn(t δt)的各个维度都线性插值到离散状态空间的对应区间中，可以得到多个离散状态点s
′
(m)
(t δt)及其对应概率为pr(s
′
(m)
(t δt)|xn(t δt))。进一步地，可以计算得到飞机处在离散状态s(t)时执行动作a(t)，下一时刻转移到离散状态s
′
(t δt)的概率t(s(t),a(t),s
′
(t δt))。
[0043]
步骤5：计算飞机当前时刻执行各动作的代价。在离散状态s(t)执行动作a的代价为
[0044][0045]
其中c[s(t),a(t)]为根据执行动作类型和判断是否发生近空碰撞计算得到的固定代价。c[s(t),a(t)]分为两部分，一部分是τ＝0时的固定代价，根据两机的距离ρ计算，当ρ≤500ft时，认为发生近空碰撞，其值为1，否则随着距离的增加而递减；另一部分根据a(t)和a
prev
(t)的强度比较得到。末态时满足
[0046]
j[s(t),a(t)]＝c[s(t),a(t)]
[0047]
由此可以计算得到末态之前各个时刻的j[s(t),a(t)]。
[0048]
步骤6：动态规划得到完整的防撞逻辑策略。在离散状态s(t)执行各个动作的最优期望代价为
[0049][0050]
则在离散状态s(t)的最优防撞策略满足
[0051][0052]
计算得到本机处在离散状态s(t)时的最优防撞策略即执行使j[s(t),a(t)]最小的动作a。这样就可以得到第1-t步的最优防撞策略。
[0053]
步骤7：重复步骤3-步骤6直到τ(t)＝τ
max
，就可以构建出整个相遇过程的最优防撞逻辑策略。
[0054]
步骤8：压缩防撞逻辑数据。原始逻辑数据可以分为5*5＝25个小块(q1,l,q
25
)，每块有六个维度。将每块数据减去各自τ方向的最小值后，会发现许多块数据之间存在一定的相似性，即
[0055][0056][0057]
当
[0058][0059]
则认为和是相似的，将其归为一个等价类。其中σ
ij
是的标准差，ri是中最大值与最小值之差。经过数据压缩后，就可以得到m个等价类和1个最小值表实现以更少的空间存储防撞逻辑策略，提高防撞逻辑的实用性。
[0060]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。