[發(fā)明專利]一種小型固定翼無人機空中防撞系統(tǒng)及防撞方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710754400.5
• 申請日: 2017-08-29
• 公開（公告）號: CN107368095B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設計）人: 湯俊;朱峰;于天元;老松楊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 陸薇薇

1.一種小型固定翼無人機空中防撞方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

(S1)在固定翼無人機上安裝小型固定翼無人機空中防撞系統(tǒng)，所述小型固定翼無人機空中防撞系統(tǒng)包括感知模塊和避碰模塊；所述感知模塊和避碰模塊均安裝在固定翼無人機上；

所述感知模塊包括自身狀態(tài)感知子模塊、通信子模塊和障礙物感知子模塊；所述自身狀態(tài)感知子模塊包括動態(tài)壓力傳感器、回轉(zhuǎn)儀、地磁儀，GPS定位系統(tǒng)、數(shù)字式氣壓表、超頻率音響感應器和高幀率相機；所述障礙物感知子模塊包括聲吶傳感器和激光雷達；

所述避碰模塊包括碰撞預測子模塊和碰撞避免子模塊，所述碰撞預測子模塊與所述感知模塊建立連接，所述碰撞預測子模塊根據(jù)感知模塊提供的固定翼無人機自身狀態(tài)信息、周邊障礙物信息和協(xié)同無人機狀態(tài)信息生成繼續(xù)飛行是否會引發(fā)碰撞的預測信息，然后將預測信息傳輸至碰撞避免子模塊中，所述碰撞避免子模塊根據(jù)預測信息調(diào)整固定翼無人機的飛行方向和飛行速度；

(S2)固定翼無人機飛行過程中，通過感知模塊獲取固定翼無人機自身狀態(tài)信息和周邊障礙物信息；所述固定翼無人機自身狀態(tài)信息包括無人機的位置、速度和運動方向；所述周邊障礙物信息包括障礙物的位置、速度和運動方向；

(S3)通過通信子模塊收集周邊其它協(xié)同無人機狀態(tài)信息；所述協(xié)同無人機狀態(tài)信息包括協(xié)同無人機的位置、速度和運動方向；

(S4)根據(jù)固定翼無人機自身狀態(tài)信息、周邊障礙物信息和協(xié)同無人機狀態(tài)信息，所述碰撞預測子模塊分別預測某時刻后固定翼無人機與障礙物、協(xié)同無人機的位置，并計算固定翼無人機與障礙物、協(xié)同無人機之間的距離值，若存在距離值小于設定安全閾值時，則記錄所有距離值小于設定安全閾值的障礙物和協(xié)同無人機狀態(tài)信息，并進入步驟(S5)，否則繼續(xù)原航線飛行；

(S5)將步驟(S4)中記錄的所有障礙物和協(xié)同無人機狀態(tài)信息傳輸至碰撞避免子模塊中，基于碰撞避免算法調(diào)整固定翼無人機的飛行方向和飛行速度，返回步驟(S4)；

所述碰撞避免算法具體為：將固定翼無人機在下個時間間隔的可能狀態(tài)設為狀態(tài)空間，固定翼無人機選擇狀態(tài)空間中的具體某個狀態(tài)取決于三個因素，第一個因素是無人機最終目標與狀態(tài)空間中的狀態(tài)之間的距離，第二個因素是當前飛行方向與無人機和最終目標的夾角，第三個因素是無人機狀態(tài)空間中狀態(tài)的特征值；

第一個因素和第二個因素分別由參數(shù)f(D)、f(A)進行調(diào)整，其計算方法如下式(9)、式(10)所示，其中K₁,K₂為正常數(shù)閾值：

其中，表示第i架無人機在t時刻的位置，g_i表示第i架無人機的目標位置，dist表示求兩個位置的距離，||·||表示求空間兩點距離；

對于狀態(tài)的特征值，其初始時刻是相同的，隨著迭代進行，減小軌跡路徑中的狀態(tài)特征值，以增大其他狀態(tài)的選擇概率，當?shù)Y(jié)束時，增大最佳路徑中的狀態(tài)特征值，使其更容易被選中；狀態(tài)特征值迭代公式如下，其中P_xyz(n)表示第n次迭代時(x,y,z)點的特征值，λ表示衰減系數(shù)，ρ表示更新系數(shù)，K₃為正常數(shù)閾值，min_length表示任務的最短距離，

P′xyz(n)＝P_xyz(n)*(1-λ) (11)

P_xyz(n+1)＝(1-ρ)*P′_xyz(n)+ρ*ΔP_xyz(n) (12)

當算法確定了一條飛行路徑時，再次判定新的路徑是否會引發(fā)新的碰撞，重新返回碰撞預測算法，如果碰撞預測算法判定無碰撞發(fā)生，則碰撞避免算法將不更新既定軌跡。

2.如權(quán)利要求1所述的一種小型固定翼無人機空中防撞方法，其特征在于：所述通信子模塊收集周邊其它協(xié)同無人機狀態(tài)信息是通過無人機之間相互通信完成。

3.如權(quán)利要求1所述的一種小型固定翼無人機空中防撞方法，其特征在于，所述通信子模塊收集周邊其它協(xié)同無人機狀態(tài)信息的過程為：設置地面數(shù)據(jù)終端，所述協(xié)同無人機狀態(tài)信息先傳輸至地面數(shù)據(jù)終端，再由地面數(shù)據(jù)終端轉(zhuǎn)發(fā)至固定翼無人機的通信子模塊。