楊秀玉,朱代武，向越新

(中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307)

隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，無人機(jī)不斷被人們所接受，且使用者越來越多。我國自主研發(fā)的新型彩虹太陽能無人機(jī)已圓滿完成臨近空間飛行試驗(yàn)，飛行高度達(dá)到20 000 m，共計(jì)飛行了15 h。由于很多小型無人機(jī)并非航空公司制造，或并非航空工程師設(shè)計(jì)，控制飛行的不是訓(xùn)練有素的飛行員，提供服務(wù)的亦非訓(xùn)練有素的技師[1]，因此無人機(jī)沒有通常意義上的“感知與規(guī)避”能力，加之我國目前缺少相應(yīng)的規(guī)章制度對(duì)無人機(jī)進(jìn)行管理，因此導(dǎo)致2017年上半年國內(nèi)接連發(fā)生了多起民用無人機(jī)闖入載人民航飛機(jī)航線或機(jī)場(chǎng)范圍的事件。例如：2017年3月13日，無人機(jī)導(dǎo)致朝陽機(jī)場(chǎng)短暫關(guān)閉；2017年4月20日，無人機(jī)導(dǎo)致南京機(jī)場(chǎng)短暫關(guān)閉,其后在接下來的4、5月份，西南地區(qū)3大機(jī)場(chǎng)昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)、成都雙流機(jī)場(chǎng)和重慶江北機(jī)場(chǎng)頻繁遭遇無人機(jī)干擾，導(dǎo)致航班大面積延誤[2]。因此，研究防止無人機(jī)發(fā)生沖突的方法具有重要意義。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)無人機(jī)防沖突的方法進(jìn)行了研究。如李洋[3]提出無人機(jī)多傳感器信息融合防撞方案，結(jié)合融合后精度較高的無人機(jī)高度和俯仰角數(shù)據(jù)，以近地高坡為例設(shè)計(jì)了無人機(jī)自主防撞軌跡，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主防撞效能；李嘉等[4]設(shè)計(jì)了一種基于備選扇區(qū)思想的防撞算法，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行；韓統(tǒng)等[5]針對(duì)非合作型動(dòng)態(tài)障礙對(duì)無人機(jī)自主防碰撞問題進(jìn)行了研究，并基于最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)了無人機(jī)自主防碰撞規(guī)避策略。

上述研究都是在無人機(jī)的運(yùn)行控制上設(shè)計(jì)算法以防止無人機(jī)發(fā)生沖突，而利用劃分無人機(jī)飛行范圍的方法來防止無人機(jī)發(fā)生沖突的研究還未見報(bào)道。為此，本文利用目前主流無人機(jī)的機(jī)載全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)設(shè)備進(jìn)行定位來設(shè)立移動(dòng)目標(biāo)物電子格柵，即通過衛(wèi)星定位無人機(jī)和移動(dòng)目標(biāo)物的位置，在無人機(jī)和移動(dòng)目標(biāo)物所在一定范圍的空域內(nèi)設(shè)立虛擬屏障，限制無人機(jī)的飛行范圍，以防止無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物相撞。

1 電子格柵模型的建立

1. 1 移動(dòng)目標(biāo)物的分類

無人機(jī)在空中飛行時(shí)，除了可能與固定目標(biāo)物發(fā)生沖突外，還可能與空中的移動(dòng)目標(biāo)物發(fā)生沖突。本文將移動(dòng)目標(biāo)物分為無人機(jī)和有人駕駛飛機(jī)兩種，移動(dòng)物體指的是無人機(jī)與之可能在空中發(fā)生沖突的移動(dòng)目標(biāo)物的總稱。

為了確保安全、有序和充分地利用空域，滿足不同空域用戶的需求和空域資源的最優(yōu)配置，我國《民用航空使用空域辦法》中對(duì)空域進(jìn)行了分類，即航路、航線和民用機(jī)場(chǎng)區(qū)域設(shè)置高空管制區(qū)、中低空管制區(qū)、終端區(qū)(進(jìn)近)管制區(qū)和機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制地帶，通常情況下這4類空域被分別稱為A類、B類、C類和D類空域[6]，其高度范圍為地球表面到6 000 m以上。

無人機(jī)飛行空域正由超低空、低空向中高空甚至臨近空間擴(kuò)展，目前飛行高度為50～20 000 m，涵蓋了所有軍民航飛行空域[7]。因此，無人機(jī)在空中飛行時(shí)與飛行中的其他無人機(jī)和各類有人駕駛飛機(jī)都有發(fā)生沖突的可能性。

1. 2 無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物沖突情況的分類

依據(jù)移動(dòng)目標(biāo)物的分類可將無人機(jī)可能發(fā)生沖突的情況分為兩類:無人機(jī)與無人機(jī)的沖突、無人機(jī)與有人駕駛飛機(jī)的沖突。無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物發(fā)生沖突可能在同一高度層或不同高度層，其中在同一高度層發(fā)生沖突存在以下3種情況:

(1) 無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物對(duì)頭飛行發(fā)生沖突，本文以旋翼無人機(jī)A與旋翼無人機(jī)B發(fā)生沖突的情況為例(下同)，作在同一高度層對(duì)頭飛行發(fā)生沖突的俯視圖，見圖1。

圖1 無人機(jī)A與無人機(jī)B在同一高度層對(duì)頭飛行發(fā)生沖突俯視圖Fig.1 Overview of the conflict between UAV A and UAV B flying opposite at the same altitude level

(2) 當(dāng)無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物在同一高度層相向飛行，無人機(jī)位于移動(dòng)目標(biāo)物后且速度大于移動(dòng)目標(biāo)物時(shí)，其發(fā)生沖突的俯視圖見圖2。

圖2 無人機(jī)A與無人機(jī)B在同一高度層相向飛行發(fā)生沖突俯視圖Fig.2 Overview of the conflict between UAV A and UAV B flying in the same direction at the same altitude level

(3) 當(dāng)無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物在同一高度層交叉飛行時(shí)，可能出現(xiàn)3種沖突情況：無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物飛行航路夾角小于90°；無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物飛行航路夾角等于90°；無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物飛行航路夾角大于90°。這3種沖突情況俯視圖見圖3。

圖3 無人機(jī)A與無人機(jī)B在同一高度層交叉飛行發(fā)生沖突俯視圖Fig.3 Overview of conflicts between UAV A and UAV B cross flying at the same altitude level

此外，無人機(jī)A與移動(dòng)目標(biāo)物在不同高度層飛行，當(dāng)調(diào)整高度層時(shí)也存在發(fā)生沖突的可能性。由于旋翼無人機(jī)可以垂直上升，以無人機(jī)B由低層向高層爬升過程中與無人機(jī)A發(fā)生沖突為例，可能出現(xiàn)3種沖突情況，其俯視圖見圖4。

圖4 無人機(jī)A與無人機(jī)B在不同高度飛行發(fā)生沖突俯視圖Fig.4 Overview of conflicts between UAV A and UAV B at different altitudes

1. 3 移動(dòng)物體電子格柵模型的建立

無人機(jī)可分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)等類型，其中民用無人機(jī)多以旋翼無人機(jī)為主；有人駕駛飛機(jī)分為螺旋槳飛機(jī)、固定翼飛機(jī)等類型，其中有人駕駛飛機(jī)多以固定翼飛機(jī)為主。本文只討論固定翼航空器電子格柵的建立，其他類型航空器電子格柵建立的方法與之類似。

1.3.1 移動(dòng)物體初始電子格柵模型的建立

對(duì)于固定翼移動(dòng)物體電子格柵的建立，地球直角坐標(biāo)確定的移動(dòng)物體幾何中心點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xa,Ya,Za)。在幾何中心的基礎(chǔ)上沿平行于機(jī)身軸線或機(jī)翼平均氣動(dòng)弦線的方向(指向前或后)量取幾何中心點(diǎn)到機(jī)頭和機(jī)尾的長(zhǎng)度，選取更長(zhǎng)的距離，設(shè)為la(橢球的長(zhǎng)半軸a);沿垂直于機(jī)身軸線的方向(指向右或左)量取幾何中心點(diǎn)到機(jī)翼翼梢的距離，選取更長(zhǎng)的距離，設(shè)為lb(橢球的短半軸b)；沿垂直于對(duì)稱平面的方向(指向上或下)量取幾何中心點(diǎn)到移動(dòng)物體外表面的距離，選取更長(zhǎng)的距離，設(shè)為lc。

建立的移動(dòng)物體初始電子格柵模型為

(1)

移動(dòng)物體的初始電子格柵模型圖見圖5，其中紅色小圓點(diǎn)為移動(dòng)物體的幾何中心點(diǎn)。

圖5 移動(dòng)物體的初始電子格柵模型圖Fig.5 Initial electron grid model diagram of moving object

1.3.2 考慮安全閾值的移動(dòng)物體電子格柵模型的建立

本文考慮的是無人機(jī)A與無人機(jī)B或有人駕駛飛機(jī)發(fā)生沖突，采取無人機(jī)A主動(dòng)避讓的方式。為了保證無人機(jī)A與移動(dòng)目標(biāo)物的飛行安全，應(yīng)在上述建立的移動(dòng)物體初始電子格柵模型上增加一個(gè)安全閾值[8-9]。

移動(dòng)物體初始電子格柵的安全閾值要考慮無人機(jī)A和移動(dòng)目標(biāo)物的飛行速度、無人機(jī)A操縱者反應(yīng)時(shí)間和無人機(jī)A避開移動(dòng)目標(biāo)物的時(shí)間之和、無人機(jī)A所飛行的距離、GPS的定位精度。假設(shè)無人機(jī)A操縱者反應(yīng)時(shí)間和無人機(jī)A避開移動(dòng)目標(biāo)物的時(shí)間之和為t、無人機(jī)A的飛行速度為v1、無人機(jī)B的飛行速度為v2、有人駕駛飛機(jī)的飛行速度為v3，基于GPS動(dòng)態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)定位誤差精度為l,則

無人機(jī)A的安全閾值為:S1=v1·t+l

(2)

無人機(jī)B的安全閾值為:S2=v2·t+l

(3)

有人駕駛飛機(jī)的安全閾值為：S3=v3·t+l

(4)

考慮了最低安全閾值后，建立的移動(dòng)物體電子格柵模型為

(i=1,2,3)

(5)

移動(dòng)物體的電子格柵模型圖見圖6，其中紅色小圓點(diǎn)為移動(dòng)物體的幾何中心點(diǎn)。

圖6 移動(dòng)物體的電子格柵模型圖Fig.6 Electron grid model diagram of moving object

2 仿真模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的移動(dòng)物體電子格柵模型防沖突的有效性，本文采用Matlab軟件對(duì)2架無人機(jī)發(fā)生沖突的避讓過程進(jìn)行了仿真模擬。

模擬試驗(yàn)采用大疆公司2架型號(hào)為大疆PHANTOM 4的無人機(jī)，分別作為模型中的無人機(jī)A和無人機(jī)B。大疆PHANTOM 4無人機(jī)為四軸飛行器，飛行載重1 380 g,垂直懸停精度為0.1 m(超聲波工作范圍內(nèi))，水平懸停精度為0.3 m(視覺傳感器工作范圍內(nèi))；無人機(jī)升降速度最大上升速度為6 m/s(運(yùn)動(dòng)模式)，最大下降速度為4 m/s(運(yùn)動(dòng)模式)，飛行速度為20 m/s(運(yùn)動(dòng)模式)，飛行高度為6 000 m，飛行時(shí)間約為28 min，軸距為350 mm，螺旋槳為9450S快拆槳；無人機(jī)遙控器工作頻率為2.400～2.483 GHz，控制距離為5 000 m。因大疆PHANTOM 4無人機(jī)體積很小，設(shè)定無人機(jī)A、B初始電子格柵半徑為1 m。采用的模擬試驗(yàn)方案為：無人機(jī)A與無人機(jī)B在同一高度從相距1 700 m的位置對(duì)頭飛行，發(fā)生飛行沖突；事先設(shè)定無人機(jī)A從右邊避讓，避讓時(shí)間為5 s，無人機(jī)操縱者反應(yīng)時(shí)間為3 s,并根據(jù)劉立龍[10]的研究，GPS動(dòng)態(tài)對(duì)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位誤差為厘米級(jí)，在此將GPS定位誤差設(shè)定為1 m,驗(yàn)證2架無人機(jī)是否相撞。

根據(jù)前述無人機(jī)A防沖突電子格柵安全閾值的確定方法，可得到無人機(jī)A的安全閾值為S=v·t+l=20×(3+5)+1=161 (m)。

本文應(yīng)用Matlab軟件仿真模擬無人機(jī)A與無人機(jī)B在上述情形下的飛行路徑，以驗(yàn)證建立的移動(dòng)物體電子格柵模型防沖突的有效性。仿真模擬得到的2駕無人機(jī)防沖突避讓過程路徑見圖7。

圖7 無人機(jī)A與無人機(jī)B防沖突避讓過程路徑示意圖Fig.7 Conflict avoidance diagram of UAV A and UAV B注： 紅、黑色小圓點(diǎn)表示無人機(jī)A、B的初始電子格柵； 紅、黑色圓圈表示無人機(jī)A、B完善后的電子格柵。

圖7中：無人機(jī)A與無人機(jī)B在相距1 700 m的位置開始相向飛行[見圖7(a)]；無人機(jī)A與無人機(jī)B的兩個(gè)電子格柵相接觸[見圖7(b)]；無人機(jī)A與無人機(jī)B相接觸時(shí)，無人機(jī)A立即向前以4 m/s2的減速度減速，向右以4 m/s2的加速度加速到20 m/s進(jìn)行避讓，在避讓過程中它們的電子格柵相交，但無人機(jī)并沒有相撞[見圖7(c)]；無人機(jī)A已成功避讓無人機(jī)B繼續(xù)向右飛行，無人機(jī)B保持原來的飛行路徑繼續(xù)前進(jìn)[見圖7(d)]；無人機(jī)A與無人機(jī)B保持上述飛行路徑繼續(xù)飛行一段[見圖7(e)]。可見，采取上述的防沖突電子格柵的建立方法可以有效避免無人機(jī)A與無人機(jī)B相撞。

3 結(jié) 語

無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，人們對(duì)無人機(jī)的接受程度越來越高，但由于無人機(jī)操縱者沒有經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)，加之我國尚未出臺(tái)針對(duì)無人機(jī)飛行的管理制度，目前無人機(jī)給人們的生活帶來了諸多風(fēng)險(xiǎn)。本文采用目前較成熟的GPS技術(shù)并結(jié)合民航多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，初步建立了一套無人機(jī)防沖突電子格柵，并通過仿真模擬驗(yàn)證了其可有效避免無人機(jī)與移動(dòng)目標(biāo)物相撞，同時(shí)無人機(jī)也可獲得相對(duì)多的飛行空域。但本文只對(duì)無人機(jī)防沖突進(jìn)行了研究，并未涉及無人機(jī)闖入電子格柵后應(yīng)采取什么方法進(jìn)行避讓，這方面還需要進(jìn)一步的探索。一旦無人機(jī)沖突問題和避讓問題得到徹底解決，相信未來無人機(jī)將會(huì)給人們的生活帶來更多的便利。