1、http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0542基于可达集的无人机低空飞行冲突解脱算法杨建航1，2，张福彪1，2，*，王江1，2(1.北京理工大学宇航学院，北京100081；2.无人机自主控制技术北京重点实验室，北京100081)摘要：针 对 无 人 空 中 交 通 管 理（UTM）中 的 冲 突 解 脱 问 题，提 出 了 以 可 达 集 分 析 为 基 础的 实 时 避 撞 算 法。该 算 法 可 用 于 城 市 低 空 环 境 中 的 密 集 交 通 流 空 域，保 证 无 人 机（UAV）飞 行 过 程的 安 全 性。基 于 相 对 运 动 的 概
2、 念，通 过 分 析 平 面 空 域 中 的 飞 行 博 弈 问 题 对 避 撞 系 统 进 行 建 模，同 时利 用 水 平 集 方 法 和 最 优 控 制 理 论 对 无 人 机 的 可 达 集 进 行 分 析 和 计 算，使 用 机 载 传 感 器 获 取 无 人 机 与周 围 物 体 的 信 息，为 每 架 无 人 机 提 供 新 的 避 撞 策 略。通过3种 不 同 空 域 环 境 的 飞 行 案 例 进 行 仿 真 实验，验 证 了 该 策 略 不 仅 可 以 得 到 平 滑 的 飞 行 路 径，实 时 安 全 地 解 决 冲 突 解 脱 问 题，而 且 针 对 合 作/非合作目标
3、均有效。关 键 词：无 人 空 中 交 通 管 理；冲 突 解 脱；城 市 低 空 环 境；可 达 集 分 析；避 撞 策 略；平 面 空 域中图分类号：V221+.3；TB553文献标志码：A文章编号：1001-5965（2023）07-1813-15 人 们 对 移 动 性 日 益 增 长 的 需 求 对 传 统 的 交通方式和交通系统提出了挑战。人们期望以更快捷、更舒适的方式到达目的地，并期望在有需要 后 的 短 时 间 内 完 成 移 动 性 任 务。无 人 机（unmannedaircraftvehicles,UAV）体 积 小、灵 活、可低空飞行且能够携带一套复杂的机载传感器，正在
4、成为当今社会不可缺少的工具1。用于监视和侦察等军事应用的无人机系统（unmannedaircraftsystem,UAS）的 部 署 早 已 非 常 成 熟，最 近 由 于 其操作简单、低空空域开放等特点而被广泛应用于各 种 民 用 任 务 中2，主 要 包 括 应 急 搜 索 和 救 援、执法、精准农业、包裹递送、基础设施检查及灾害探测等3。随着民用UAS的迅速发展，解决无人机在国家空域系统运行的安全问题越来越关键，无人机必须以不干扰交通的方式行动，保持与其他飞机分离。无论在商业航空的结构化空域，还 是 在 拥 有 都 市 型 航 空 交 通 系 统（urbanairmobility,UAM
5、）的 低 空 空 域，空 中 交 通 都 变 得 越来 越 复 杂 且 难 以 管 理。在 过 去的50年 里，有 人驾驶和无人驾驶飞机数量的急剧增加给空中交通 管 理（airtrafficmanagement,ATM）带 来 了 严 峻的考验4。无人机需要一定程度的自主权，以确保在复杂环境中安全分离。为此，NASA在2015年提 出 了 无 人 空 中 交 通 管 理（unmannedairtrafficmanagement,UTM）系统的概念5。与传统的ATM相比，UTM旨在更严格、更拥挤的空域中管理更多的飞机。UTM有许多组成部分，本文主要关注冲突解脱问题，因为其对空中交通的安全性十分重
6、要。据统计，自2006年以来，质量小于30kg的小型无人机系统（sUAS）占据了新型飞机的大部分市场6。随着现代技术的快速进步及无人机成本的大幅降低，预计未来几年低空空中交通流量将大幅增长7，越来越多的无人机行动将会发生在靠近建收稿日期：2021-09-09；录用日期：2021-12-17；网络出版时间：2022-01-1212：44网络出版地址：J H，ZHANG F B，WANG J.Conflict resolution algorithms for UAV low-altitude flight based on reachable set J.Journal of BeijingUn
7、iversity of Aeronautics and Astronautics，2023，49（7）：1813-1827（in Chinese）.2023 年7 月 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 July 2023第49 卷 第7 期 JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics Vol.49 No.7筑物或机场的大都市地区8。大都市环境的空域将由传统的载人飞行器和无人机共享，低空空域密集的操作环境大大增加了冲突的风险。在低空 的 城 市 地 区，每 架 无 人 机 必 须 避 开 各 种 障 碍，如静态物体（高层建筑
8、、树木、灯柱、禁飞区等）和动态物体（起重机、其他无人机、有人机等）。为 此，需 要 先 进的UTM系 统 有 效 处 理 复 杂 环 境中的飞行冲突，及时保证安全9。ATM主要关注的是事先计划好的机场之间的航班，这些航班的时间表能够预先得知。相比之下，UAS具有时间和空间上的高度不确定性，无人机可以在任意时段 飞 行，且 没 有 固 定 的 路 径 点。此 外，目 前 的ATM系统是“人在回路”的决策系统，人因误差无法避免，不利于飞行冲突的解决10，在无人驾驶的航空领域，无人机将进行多次短途飞行，需要更高水平的自动化来解决冲突11。因此，需要先进的冲突解脱工具和决策方法来管理UTM下涌入的大量
9、UAS。冲 突指2架 飞 行 器 之 间 的 距 离 小 于 特 定 的 间隔，使飞行器安全受到威胁的一种状态。冲突探测与 解 脱是UTM系 统 的 核 心 任 务 之 一12，无 人 飞 行器检测到可能发生的冲突后，通过安全避撞操作来解决现有的冲突威胁。目前，检测-避撞（detect-and-avoid,DAA）技 术 已 经 有 了 多 年 的 研 究4，并 进 行 了开 发 和 测 试 工 作。文献13以 复 杂 网 络 理 论 为 基础，通 过 冲突DAA策 略 来 解 决 局 部 空 域 冲 突 解 脱的问题，文献14提供了无人机进入非隔离空域 的DAA解 决 方 案，文献15描 述
10、了DAA系 统 在 复 杂的 城 市 环 境 中 对 小 型 无 人 机 机 动 的 需 求，文献16介绍了DAA系统冲突探测的应用。本文基于可达集 方 法和DAA技 术，提 出 一 种 新的UAS避 撞 策略，为UTM中 的 冲 突 解 脱 问 题 提 供 了 一 种 安 全 有效的方法。避 撞 能 力 是 决 定 无 人 机 能 否 与 其 他 飞 行 器 共享空域，以及能否在动态不确定环境中执行任务的重 要 因 素17。相 关 文 献 提 出 了 多 种 解 决 无 人 机 避撞问题的算法。Kuchar和Yang18对2021世纪的冲突解脱算法进行了全面的回顾与评估，并对无人机 避 撞
11、模 型 包 含 的 概 念 进 行 了 分 类。文献19-20分析和评估了各种无人机自主防撞避让算法。以主成 分 分 析（principalcomponentanalysis,PCA）算 法21为 代 表 的 几 何 算 法 考 虑 了 无 人 机 与 障 碍 物 的 空 间位 置，计 算 简 单，但 通 常 无 法 得 到 平 滑 的 飞 行 路径。基 于 概 率 和 统 计 理 论 的 蒙 特 卡 罗 算 法22主 要针对一对无人机之间的避撞问题，未考虑复杂的多机空域。人工势场法23的优点在于计算量小，具备防 撞 的 实 时 性，但 存 在 局 部 最 优 点 的 问 题，不 能 准确到达
12、目标。同时，解决无人机防撞问题的方法还有各类基于人工智能的避撞决策算法，包括A*搜索算 法24和 各 种 优 化 算 法，如 遗 传 算 法25、蚁 群 算 法26、粒 子 群 优 化 算 法27等。这 类 优 化 算 法 可 以 进 行 全局 搜 索，规 划 出 最 优 或 次 优 路 径，但 计 算 时 需 要 多次迭代，较大的计算量导致规避障碍物时会出现延迟 问 题，而 且 适 用 范 围 较 小，大 多 只 能 用 于 躲 避 静态 障 碍 物，对 于 动 态 物 体 不 能 进 行 有 效 避 撞。文献28利用可达集进行避撞检查，提高了避撞的成功 率 和 安 全 性，但 仍 需 预
13、测 轨 迹，并 且 需 要 提 前 掌握 障 碍 物 的 可 达 集 信 息，无 法 实 现 实 时 避 障。此外，在复杂的城市环境中，障碍物密集，碰撞危险性高。因此，传统的路径规划算法在低空环境的应用具 有 局 限 性。上 述 针 对 城 市 环 境的UAS避 撞 算 法主 要 侧 重 于 预 先 规 划，要求UAS的 飞 行 环 境 是 透明 的。对 于 陌 生 的 任 务 环 境，难 以 掌握UAS的 全局飞行区域信息，无法提前通过规划算法获得安全的 飞 行 路 径29，执 行 效 率 会 受 到 影 响。因 此，有 必要探索一种实时的冲突解脱算法，应用于复杂的低空飞行空域。本 文 提
14、出 的 基 于 可 达 集 的 实 时 避 撞 算 法 具 有简 洁、高 效、安 全、实 用 等 特 点。飞 机 间 的 相 互 作用可以通过计算重要的空中交通特征（如相对位置和 相 对 速 度）来 进 行 数 学 描 述。为 了 避 免 碰 撞，本文 采用2种 方 式 实 现 飞 机 的 分 离，即 航 向 角 变 化（headinganglechange,HAC）和 速 度 变 化（velocitychange,VC）。假设无人机定高飞行，使用无人机的当 前 位 置、速 度 及 航 向 信 息，基 于 相 对 运 动 的 概 念处 理 平 面 空 域 冲 突 问 题。由 于 可 达 集 的
15、 计 算 结 果可以离线缓存，在规避障碍物时具有较小的计算开销，保 证 了 实 时 性。提 取 时 给 定 一 个 误 差 界，使 可达 集 边 界 的 允 许 误 差 有 一 个 限 度。采用2架 飞 机博弈的过程对空中避撞问题进行建模，通过可达集分析方法对无人机加以控制，从而完成空中交通避撞任务。1背景知识1.1可达集随着空中交通系统越来越复杂，确保系统正常工作也越来越困难，因此，安全验证已应用到多种工程领域。安全验证的最简单形式是仿真，但其一次只能检查系统的一条轨迹，通过该方法检查每个可能的系统轨迹安全性的代价是十分昂贵的。因此，在控制系统的安全验证中，可达集分析方法应运而生。如果可以准确确定一组1814北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 2023 年
