一種基于瞬時碰撞點的無人機非協作式實時避障方法
【技術領域】
[0001] 本發明主要涉及到無人機領域，特指一種基于瞬時碰撞點的無人機非協作式實時 避障方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無人機系統能力的不斷發展，眾多功能各異的無人機被廣泛應用于各種民事 行動中，這也導致無人機在使用空域數量的迅速增加。目前，無人機系統的自主能力普遍不 高，其操作使用主要是由地面站遙控或預編程的，沒有空間障礙的感知和規避（Sense and Avoid, SAA)能力，從而導致空中碰撞事故頻頻發生。
[0003] 目前，無人機系統實現感知與規避主要有兩種途徑：
[0004] 第一種途徑：通過地基感知與規避，在地面站基于無人機的狀態測控數據，實現同 一空域內執行不同任務的無人機之間時空沖突消解。
[0005] 第二種途徑：隨著傳感器技術和自動化技術的進步，實現機載的感知與規避。這也 分為兩大類，一類是安裝了 ADS-B(廣播式自動相關監視）和TCAS(交通預警和避撞系統） 的無人機之間的協作式避碰；另一類是未安裝ADS-B或者TCAS的無人機或者該裝置失靈條 件下無人機之間，以及無人機與空中其他障礙（高山、高建筑等）之間的非協作式避碰。非 協作式避碰作為無人機依托機載傳感器設備及時檢測障礙并實施有效規避的重要保障，對 于提高無人機飛行安全具有更為重要的意義，其技術已成為當前研宄的熱點。
[0006] 非協作式避碰主要有三種方式：主動系統、被動系統和混合系統。主動系統能發射 信號來檢測障礙物，包括機載微波雷達、毫米波雷達、激光、聲納、主動電子掃描陣列（AESA) 雷達等主動傳感器。被動系統則用于檢測從障礙物散發的信號，主要包括光電（EO)、紅外 (IR)等被動傳感器。混合系統采用主動傳感器和被動傳感器混合的探測模式。非協作式避 碰無需其它無人機擁有相同的系統，可用于檢測包括飛機在內的地面、空中的障礙物。

【發明內容】

[0007] 本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一 種原理簡單、易實現、能夠提高無人機安全性的基于瞬時碰撞點的無人機非協作式實時避 障方法。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：
[0009] 一種基于瞬時碰撞點的無人機非協作式實時避障方法，其步驟為：
[0010] (1)障礙探測：獲取障礙的相對運動狀態；
[0011] ⑵障礙運動估計：基于衛星導航信息獲取本機狀態信息，計算出慣性空間障礙 的運動狀態
[0012] (3)碰撞沖突檢測：判斷是否會與障礙發生碰撞；
[0013] (4)避障決策：基于步驟（3)的檢測結果，做出避障決策；
[0014] (5)基于考慮瞬時碰撞點的快速擴展隨機樹算法的避障航線重規劃：基于瞬時碰 撞點，引入航線評價啟發信息，實現避障航線重規劃。
[0015] 作為本發明的進一步改進：所述步驟（5)的具體步驟為：
[0016] (5. 1):以當前無人機的位置作為初始節點Nodeinit，初始化搜索樹結構，只包含一 個節點；根據預測碰撞算法，得到預測碰撞時間T rallisim，以瞬時碰撞點為圓心，以無人機安 全距離Rsafe為半徑，形成預測碰撞區域Region Mllisim，將當前本機位置、預測碰撞點和障礙 位置形成的三角形區域，稱為航線規避區Region avtjid;
[0017] (5. 2)基于基本RRT流程，按照以下步驟擴展搜索樹：
[0018] (5· 2· 1)產生隨機數 P e [0, 1]，如果 P〈Pjlj選擇 Node gMl作為目標點 Node target， 否則在未搜索區域范圍內產生一個位于障礙區域外產生隨機點Noderand;g隨機點Node ^nd 未落入預測碰撞區和航線規避區，則選取Noderand作為目標點Node tmget，否則繼續生成 隨機點Noderand; 、％辦二分別落入了航線規避區Region avtji^預測碰撞區域 Regionrallisim，則將這兩個隨機點排除，選擇作為目標點Nodetmget;
[0019] (5. 2. 2)在當前生成樹T中，查詢與Nodetargrt最近的節點，記為Node ，根據飛機 行進步長，計算得到行進節點Nodetemp,并判斷與Nodenem的運動時間t是否落入預測碰撞 時間T etjllisira^ ;如果t在T WlisimP^，則繼續判斷Node temp是否落入航線規避區Region av()id 和預測碰撞區域Regionrallisim，如果沒有，則轉入（5. 2. 3)，否則舍棄隨機點Nodetemp并轉入 (5. 2. 1)；
[0020] (5. 2. 3)將擴展節點Nodetemp記為Node new，并加入搜索樹T中，作為Nodenem的子節 占 .
[0021] (5. 2. 4)如果I I N〇denew-N〇degMl I I彡ε，則搜索到目標點，跳到步驟（5. 3);否則 更新計算航線規避區Region-jPl預測碰撞區域Region eaLlisim以及碰撞時間T eaLlisim，并返 回步驟（5. 2);
[0022] (5. 2. 5)如果搜索時間超過搜索時間上限Tmax，則強制結束擴展，跳到步驟（5. 3);
[0023] (5. 3)返回形成的擴展搜索樹，獲得Nodeinit從到Node 8。31的航線；如果是強制結 束，則返回從Nodeinit到距離Node _最近的葉節點的航線。
[0024] 作為本發明的進一步改進：所述步驟（3)的具體步驟為：
[0025] (3. 1)分別求出障礙物速度以及無人機速度與基準線的夾角分別為a，β，將障礙 物速度V，無人機的速度V b分解到垂直于兩者質心的連線，得到V al和V bl:
[0026] Val=Vasina (1)
[0027] Vbl= V bsin β (2)
[0028] 將約束條件加強，障礙物在無人機的前方需滿足如下條件：
[0029] Vacos a >〇 (3)
[0030] Vbcos β >0 (4)
[0031] (3.2)判斷：
[0032] 若Val= Vbl，則在當前條件下飛行無人機與障礙物會發生碰撞，并得到瞬時碰撞點 的坐標位置；若檢測到能夠發生碰撞，碰撞的時間約束通過計算得知，得出無人機和障礙物 相距距離為S，不進行避障發生碰撞的時間I rallisim