一种目标无人机空中冲突解脱方法、介质和电子设备

技术领域

本申请涉及无人机避障技术领域，特别是涉及一种目标无人机空中冲突解脱方法、介质和电子设备。

背景技术

近年来，无人机发展迅猛，被广泛应用于各种任务，包括监视和侦察。无人机的数量不断增多，而空域资源有限，导致无人机发生冲突的概率越来越大，冲突给个人和社会带来了巨大的财产损失，所以冲突探测与解脱技术在执行任务过程中变得越来越重要。

目前有许多种用于无人机冲突解脱的方法，比如粒子群算法、遗传算法等，这些算法都是在预测冲突点已知的情况下，因此不具备实时性，不能用来避免不可预见的障碍物突然出现在其飞行路径。所以，亟需一种针对多无人机在冲突点未知的情况下的解脱方法。

发明内容

本申请要解决的技术问题为：如何在冲突点未知的情况下，实现目标无人机针对多无人机进行解脱。

根据本申请的第一个方面，提供一种目标无人机空中冲突解脱方法，包括：

S100，构建目标无人机的目标三维空间模型；其中，目标三维空间模型包括若干高度层和若干水平层；每个高度层的高度相同；目标无人机处于目标三维空间模型的若干高度层中的中间层；水平层是根据目标无人机在预设时间段内的不同时间点的预设位置得到的轨迹确定的；目标无人机处于目标三维空间模型的若干水平层中的中心层；若干水平层均以目标无人机所在位置为中心点；目标三维空间模型包括若干待检测无人机；

S200，每间隔预设时间，对目标三维空间模型中的待检测无人机进行冲突预测，确定入侵无人机集RQ＝(RQ1，RQ2，...，RQi，...，RQj)；i＝1，2，...，j；其中，j为入侵无人机的数量；RQi为在预设时间段内预测的第i个与目标无人机发生水平冲突和垂直冲突的无人机；

S300，根据RQ，获取入侵无人机冲突分集RQF＝(RQF1，RQF2，...，RQFi，...，RQFj)；其中，RQFi为RQi的冲突分；RQFi＝k1*RQFSi+k2*RQFHi+k3*RQFVi+k4*RQFCi+k5*RQFGi；其中，RQFSi为水平冲突分；k1为水平冲突权重；RQFHi为垂直冲突分；k2为垂直冲突权重；RQFVi为速度分；k3为速度权重；RQFCi为解脱策略分；k4为解脱策略权重；RQFGi为故障分；k1、k2、k3、k4和k5为故障权重；k1+k2+k3+k4+k5＝1；

S400，根据RQF，得到待解脱入侵无人机冲突分集RQD＝(RQD1，RQD2，...，RQDm，...，RQDn)；m＝1，2，...，n；n≤j；其中，n为待解脱入侵无人机的数量；RQDm为第m个大于预设冲突分阈值的待解脱入侵无人机的冲突分；RQDm＞RQD(m-1)；

S500，根据RQD，控制目标无人机依次根据预设的解脱策略进行解脱。

根据本申请的第二个方面，提供一种非瞬时性计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条指令或至少一段程序，至少一条指令或至少一段程序由处理器加载并执行以实现上述无人机空中视角人员识别方法。

根据本申请的第三个方面，提供一种电子设备，包括处理器和上述的非瞬时性计算机可读存储介质。

本申请至少具有以下有益效果：

本申请首先构建目标无人机的目标三维空间模型；这里，目标三维空间模型以目标无人机为中心点，分别设置若干高度层和若干水平层，以此能够对目标三维空间模型内出现的其他待检测无人机进行精准定位；其次，每间隔预设时间，对目标三维空间模型中的待检测无人机进行冲突预测，确定若干入侵无人机；入侵无人机即为预测的会与目标无人机发生水平冲突和垂直冲突的无人机；这里，冲突预测是实时的，是由于待检测无人机和目标无人机的运动状态是随时变化的，即是否发生冲突以及冲突点也是随时变化的，所以，每间隔预设时间即进行依次预测。然后，获取入侵无人机冲突分集RQF＝(RQF1，RQF2，...，RQFi，...，RQFj)；其中，RQFi为RQi的冲突分；RQFi＝k1*RQFSi+k2*RQFHi+k3*RQFVi+k4*RQFCi+k5*RQFGi；其中，RQFSi为水平冲突分；k1为水平冲突权重；RQFHi为垂直冲突分；k2为垂直冲突权重；RQFVi为速度分；k3为速度权重；RQFCi为解脱策略分；k4为解脱策略权重；RQFGi为故障分；k1、k2、k3、k4和k5为故障权重；k1+k2+k3+k4+k5＝1；这里，对若干个入侵无人机进行冲突分排序，冲突分越高说明发生冲突带来的破坏越大，解脱更困难、更耗费油耗、解脱需要偏离原始航线越远；所以需要进行优先解脱，而影响冲突分的因素包括水平冲突分、垂直冲突分、速度分、解脱策略分和故障分；其中，入侵无人机与目标无人机的水平距离越小，则说明发生冲突带来的破坏越大，可解脱的时间越短，越需要优先解脱，所以水平冲突分越高；入侵无人机与目标无人机的垂直距离(高度差)越小，则说明发生冲突带来的破坏越大，可解脱的时间越短，越需要优先解脱，所以垂直冲突分越高；对于解脱策略，若入侵无人机的解脱策略越复杂，耗费的油耗更多，偏离原始航线越远，则解脱策略分越高；若入侵无人机发生故障，则更危险，其速度，航向等不可控，若与目标无人机发生冲突的破坏力更大，所以若入侵无人机发生故障，则故障分越高；综上，入侵无人机的冲突分越高，越需要优先进行解脱；进而，设置预设冲突分阈值，将冲突分大于预设冲突分阈值的入侵无人机确定为待解脱入侵无人机；这里，若冲突分较低，则可能是由于预测发生冲突的时间较长，随着目标无人机以及入侵无人机飞行状态的改变进行进一步检测，此时不需要进行解脱；以此，缩小需要解脱的无人机的数量，减少目标无人机的油耗；节约时间；对待解脱入侵无人机按照冲突分从大到小排列，最后，控制目标无人机依次根据预设的解脱策略进行解脱；且在解脱过程中，实时更新入侵无人机，进而实时更新待解脱入侵无人机；实现动态解脱；更精准，更节约油耗和解脱时间，效率更高；从而保证目标无人机和其他无人机在飞行过程的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种目标无人机空中冲突解脱方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种水平冲突确定过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示为根据本申请的一个实施例提供的目标无人机空中冲突解脱方法，包括以下步骤：

S100，构建目标无人机的目标三维空间模型；其中，目标三维空间模型包括若干高度层和若干水平层；每个高度层的高度相同；目标无人机处于目标三维空间模型的若干高度层中的中间层；水平层是根据目标无人机在预设时间段内的不同时间点的预设位置得到的轨迹确定的；目标无人机处于目标三维空间模型的若干水平层中的中心层；若干水平层均以目标无人机所在位置为中心点；目标三维空间模型包括若干待检测无人机。

具体的，首先基于目标无人机类型和型号，根据本目标无人机类型和型号从数据库中提取其相应的数据，包括目标无人机的最大水平飞行速度为V

高度分层如下：以目标无人机为中心点，所处的位置为中心层，上下设置相同层数，每一高度层的高度相同。

水平分层如下：在以当前时间为初始时间的预设目标时间窗口内，均匀的设置若干轨迹获取时间点；分别获取每一轨迹获取时间点对应的水平层；每一水平层表示无人机在该轨迹获取时间点所可能到达的位置的集合，每一水平层的获取步骤如下：

假设目标无人机在预设目标时间窗口内的任一时间点的最远可到达位置只考虑初始位置一次转向，而且目标无人机的初速度为最大水平航行速度，在转向时，速度不变。根据以下公式确定水平层轨迹：给了无人机一个向心力，向心力：

S200，每间隔预设时间，对目标三维空间模型中的待检测无人机进行冲突预测，确定入侵无人机集RQ＝(RQ1，RQ2，...，RQi，...，RQj)；i＝1，2，...，j；其中，j为入侵无人机的数量；RQi为在预设时间段内预测的第i个与目标无人机发生水平冲突和垂直冲突的无人机。

具体的，水平冲突通过如下步骤预测的：

S201，获取目标无人机与待检测无人机的当前距离和待检测无人机的当前飞行信息；其中，当前飞行信息包括待检测无人机的当前位置信息、待检测无人机的当前航向和待检测无人机的当前速度。

这里，确定待检测无人机的当前位置信息为(x

S202，根据目标无人机与待检测无人机的当前距离和待检测无人机的当前飞行信息，得到待检测无人机相对于目标无人机的当前相对速度矢量V

获取待检测无人机所处水平层的参数方程如下，其中，θ取(-360°,360°)，θ如果为负数则为逆时针旋转(向左转向)，为正数则顺时针旋转(向右转向)：

其中，θ为目标无人机在预设目标时间窗口内的任一时间点的最远可到达位置与初始位置的夹角；t为获取水平层轨迹的时间。

设待检测无人机的航向与平面XOY的夹角为α，与平面ZOY的夹角为β，则待检测无人机的三维速度为(V

V

其中，V

S203，根据V

设相对速度矢量与三维直角坐标系中的Y轴的夹角为λ，该角度计算公式为：

相对速度矢量的航向ψ

S204，根据待检测无人机的当前位置信息和目标无人机当前所处的水平层；得到第一航向ψ

参考图2，过待检测无人机坐标点作两条与待检测无人机所在位置的内圈层的水平层曲线相切的切线，交于点B与点C，设段AB、段AC的航向为ψ

点B与点C的坐标可通过曲线的参数方程与点A的坐标可得出。

S205，若ψ

在步骤S204之后，上述方法还包括：

S206，若ψ

这里，垂直冲突通过如下步骤预测：

S210，若预测目标无人机与待检测无人机发生水平冲突，获取待检测无人机与上述目标无人机当前所处的水平层的第一交点和第二交点。

这里，若待检测无人机与目标无人机存在水平冲突，待检测无人机与目标无人机存在水平冲突，待检测无人机与目标无人机垂直方向上是否存在冲突，反之，若待检测无人机与目标无人机不存在水平冲突，则确定待检测无人机与目标无人机不存在冲突。则无需确定是否存在垂直冲突。

相对速度矢量与相对速度矢量的航向在水平方面上的航线方程符合如下条件：

其中，上式为根据东北天(ENU)坐标系构建的点斜式方程。

将待检测无人机与待检测无人机所在位置的内圈层的水平层的交点设为(x

S220，分别确定待检测无人机到达第一交点的时间T1和到达第二交点的时间T2。

这里，待检测无人机到达这两点的时间为：

S230，根据T1和T2分别确定待检测无人机相对于目标无人机的航行高度H

这里，在T1和T2两段时间内，待检测无人机相对于目标无人机在垂直方向上的航行高度为：

H

H

S240，若待检测无人机位于目标无人机上方，且H

在步骤S230之后，上述方法还包括：

若待检测无人机位于目标无人机上方，且H

S300，根据RQ，获取入侵无人机冲突分集RQF＝(RQF1，RQF2，...，RQFi，...，RQFj)；其中，RQFi为RQi的冲突分；RQFi＝k1*RQFSi+k2*RQFHi+k3*RQFVi+k4*RQFCi+k5*RQFGi；其中，RQFSi为水平冲突分；k1为水平冲突权重；RQFHi为垂直冲突分；k2为垂直冲突权重；RQFVi为速度分；k3为速度权重；RQFCi为解脱策略分；k4为解脱策略权重；RQFGi为故障分；k1、k2、k3、k4和k5为故障权重；k1+k2+k3+k4+k5＝1。

具体的，对若干个入侵无人机进行冲突分排序，冲突分越高说明发生冲突带来的破坏越大，解脱更困难、更耗费油耗、解脱需要偏离原始航线越远；所以需要进行优先解脱，而影响冲突分的因素包括水平冲突分、垂直冲突分、速度分、解脱策略分和故障分；其中，入侵无人机与目标无人机的水平距离越小，则说明发生冲突带来的破坏越大，可解脱的时间越短，越需要优先解脱，所以水平冲突分越高；入侵无人机与目标无人机的垂直距离(高度差)越小，则说明发生冲突带来的破坏越大，可解脱的时间越短，越需要优先解脱，所以垂直冲突分越高；对于解脱策略，若入侵无人机的解脱策略越复杂，耗费的油耗更多，偏离原始航线越远，则解脱策略分越高；若入侵无人机发生故障，则更危险，其速度，航向等不可控，若与目标无人机发生冲突的破坏力更大，所以若入侵无人机发生故障，则故障分越高；综上，入侵无人机的冲突分越高，越需要优先进行解脱。

需要说明的是，这里，除了对入侵无人机确定冲突分之外，还可以对目标三维空间模型中的其他无人机根据距离等信息赋予分数，而这些分数会是该待检测无人机潜在的危险分数，当分数大于预设冲突分阈值时，即使不存在冲突也会对其进行避让措施。

S400，根据RQF，得到待解脱入侵无人机冲突分集RQD＝(RQD1，RQD2，...，RQDm，...，RQDn)；m＝1，2，...，n；n≤j；其中，n为待解脱入侵无人机的数量；RQDm为第m个大于预设冲突分阈值的待解脱入侵无人机的冲突分；RQDm＞RQD(m-1)。

具体的，设置预设冲突分阈值，将冲突分大于预设冲突分阈值的入侵无人机确定为待解脱入侵无人机；这里，若冲突分较低，则可能是由于预测发生冲突的时间较长，随着目标无人机以及入侵无人机飞行状态的改变进行进一步检测，此时不需要进行解脱；以此，缩小需要解脱的无人机的数量，减少目标无人机的油耗；节约时间；

S500，根据RQD，控制目标无人机依次根据预设的解脱策略进行解脱。

具体的，预设的解脱策略包括：航速调整和/或航向调整和/或高度调整；且解脱策略的优先级为：航速调整为第一优先级；航向调整为第二优先级；高度调整为第三优先级。

这里，航速调整是对于航行速度的调整，航行轨迹不变，调整耗费的油耗和资源最小；所以作为第一优先级；而航向调整是在航速调整不能达到解脱的目的时进行的，调整无人机转向的角度来实现解脱；相较于航速调整，会改变航行轨迹，所以作为第二优先级，而高度调整调整的幅度较大，耗费的资源较多，且偏离了原始的航行轨迹，所以作为第三优先级，若航速调整和航向调整均不能实现解脱，则需要进行高度调整。

航速调整得到的调整后的目标无人机的航速V′符合如下条件：

V′cosα≤V

其中，α为待检测无人机的航向与三维直角坐标系中的平面XOY的夹角；V

需要说明的是，若V′cosα＞V

(V

当V

同理可得：当V

当V

当V

若θ′<180°则目标无人机向有转向θ′，当θ′>180°时目标无人机应向左转向θ′-180°，转向角度不宜过大。

另外，高度调整包括：

已知待检测无人机相对于目标无人机的高度z

若待检测无人机所处在本无机的高度层，则在水平面上时，从垂直冲突中可知无人机首次进入曲线的时间为T

若待检测无人机所处在本无机的高度层，当V

当V

若待检测无人机所处不在本无机的高度层：当V

当V

当V′

当V′

当V′

当V′

其中，V′

在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述方法还包括：

S600，若V

S700，若目标无人机的目标三维空间模型内出现故障状态的待解脱入侵无人机，且故障状态的待解脱入侵无人机的高度大于目标无人机高度，则对其进行解脱。

本申请的实施例还提供一种计算机程序产品，其包括程序代码，当程序产品在电子设备上运行时，程序代码用于使该电子设备执行本说明书上述描述的根据本申请各种示例性实施方式的方法中的步骤。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。

在本公开的示例性实施例中，还提供了一种能够实现上述方法的电子设备。

所属技术领域的技术人员能够理解，本申请的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本申请的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

根据本申请的这种实施方式的电子设备。电子设备仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

电子设备以通用计算设备的形式表现。电子设备的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器、上述至少一个储存器、连接不同系统组件(包括储存器和处理器)的总线。

其中，储存器存储有程序代码，程序代码可以被处理器执行，使得处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种示例性实施方式的步骤。

储存器可以包括易失性储存器形式的可读介质，例如随机存取储存器(RAM)和/或高速缓存储存器，还可以进一步包括只读储存器(ROM)。

储存器还可以包括具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

总线可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括储存器总线或者储存器控制器、外围总线、图形加速端口、处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备交互的设备通信，和/或与使得该电子设备能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，电子设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器通过总线与电子设备的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。

在本公开的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本申请的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种示例性实施方式的步骤。

程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

此外，上述附图仅是根据本申请示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。