一种多无人机离线航线冲突检测与消解方法及装置

技术领域

本发明涉及无人机协同控制技术领域，尤其涉及一种多无人机离线航线冲突检测与消解方法及装置。

背景技术

基于无人机非接触操作的特点，人们能够利用无人机灵活完成生活中的运载输送、巡视检查等任务。随着无人机技术的发展，无人机的推广应用受到人们的重视，期望挖掘无人机在城市低空空域的潜力，使其能够为人们完成更多的任务，便利人们的日常生活。要使无人机在城市低空空域得到更广泛的应用，必须要解决的关键问题之一是无人机在空中运行时的空域冲突检测和消解，以保证较多无人机同时在有限空域内有序安全运行。当前针对无人机离线航线冲突检测与消解的方法较少。为了保证无人机的运行安全，已有方法主要采用时空分离、分区划片的方法，这一类方法限制了在空域中运行无人机的数量，效率较低。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于时间变量描述的多无人机离线航线冲突检测与消解方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种多无人机离线航线冲突检测与消解方法，包括以下步骤：

基于安全距离约束确定每个无人机与其他无人机过度靠近的航段；

基于混合整数线性规划模型协调既有冲突和潜在冲突的消解约束，确定基于出发时间调整的每个无人机的冲突消解策略。

进一步地，所述基于安全距离约束确定每个无人机与其他无人机过度靠近的航段，包括：

建立航线冲突检查集合；

将两个无人机的航段表达为时间变量t的函数；通过时间对齐使两个无人机的出发时间相同，以及通过无人机的初始相对位置与相对速度的关系检测无人机之间的冲突问题；

选择航线冲突检查集合中结束时间最早的无人机航段，并逐一检查该航段与其它航段之间的冲突情况；当将该航段与集合中其它所有航段的冲突检查完毕，将该航段从集合中取出，找到该航段所对应无人机的下一个航段放入检查队列构成新的航线冲突检查集合，继续进行冲突检测；在冲突检查过程中如果发现冲突，则将涉及冲突的航段相关信息记录到冲突集中，以进行下一步分析。

进一步地，所述建立航线冲突检查集合，包括：

定义无人机A

按照顺序将每个无人机的第一段航段取出，放入检查集合中；然后找到一个结束时间最早的航段，将该航段与其它航段两两进行检查；检查完毕后将该航段从集合中取出，然后将该航段的下一个航段加入航线冲突检查集合，并再次选出结束时间最早的航段与集合中其它航段进行检查，以此迭代，直到检查完所有的无人机的所有航段。

进一步地，所述通过时间对齐使两个无人机的出发时间相同，包括：

当两个航段起始时间不同时，反向拓展起始时间晚的航段，直到两个无人机起始时间相同：

设定P

进一步地，所述通过无人机的初始相对位置与相对速度的关系检测无人机之间的冲突问题，包括：

假设无人机在运行中需与其它无人机保持最小r

检测步骤具体如下：

定义无人机A

P′

假设无人机保持匀速运动，则v

得到A

对公式转换，得：

令

当Δ＞0时，解为

定义既有冲突和潜在冲突：根据无人机A

定义航段A

(1)分析潜在冲突风险：

a)如果t有两个解：

当(t

当(t

b)如果t无解或者t只有一个解，因进入检测的两个无人机，两个航段的最短距离小于安全距离，则此时两个无人机到达冲突区间的时间存在时间差，因而没有发生冲突，但可能因为时间调整，使潜在冲突转化为既有冲突；

(2)分析既有冲突风险：

a)如果t有两个解：

当(t

b)如果t无解或者t只有一个解：

此时两个无人机到达冲突区间的时间存在时间差，因而没有发生既有冲突。

进一步地，所述基于混合整数线性规划模型协调既有冲突和潜在冲突的消解约束，确定基于出发时间调整的每个无人机的冲突消解策略，包括：

面向两个无人机存在既有冲突的情况进行消解；

获取面向两个无人机潜在冲突的约束；

面向多无人机的冲突进行消解。

进一步地，所述面向两个无人机既有冲突的情况进行消解，包括：

若目标无人机A

进一步地，所述获取面向两个无人机潜在冲突的约束，包括：

若两个无人机之间存在潜在冲突时，不合理的时间调整可能导致潜在冲突发展为既有冲突，从而使空域冲突涉及的范围变大，因此需要确定涉及潜在冲突的两个无人机的航线调整需遵循的约束。

进一步地，所述面向多无人机的冲突进行消解，包括：

对n个无人机航段进行两两检查时，得到每个无人机每个航段的既有冲突和潜在冲突的约束集；其中，n为大于2的整数；

结合所有约束建立混合整数线性规划模型，进一步求解模型，得到调整时间；

考虑无人机A

本发明所采用的另一技术方案是：

一种多无人机离线航线冲突检测与消解装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明提供一种基于时间变量描述的多无人机离线航线冲突检测与消解方案，能够兼顾在拥挤环境中飞行的无人机的安全间隔与空中交通效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中逐个航段进行冲突检测示意图；

图2是本发明实施例中时间对齐示意图；

图3是本发明实施例中冲突检测示意图；

图4是本发明实施例中切线约束与终点约束的既有冲突示意图；其中，图4(a)为切线约束的既有冲突的示意图，图4(b)为终点约束的既有冲突的示意图；

图5是本发明实施例中切线约束与终点约束的潜在冲突示意图；其中，图5(a)为切线约束的潜在冲突的示意图，图5(b)为终点约束的潜在冲突的示意图；

图6是本发明实施例中一种基于时间变量描述的多无人机离线航线冲突检测与消解方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图6，本实施例提供一种基于时间变量描述的多无人机离线航线冲突检测与消解方法，该方法能够兼顾在拥挤环境中飞行的无人机的安全间隔与空中交通效率。该方法具体包括以下步骤：

S1、基于安全距离约束确定每个无人机与其他无人机过度靠近的航段。

如图1所示，定义无人机A

建立一个航线冲突检查集合。首先按照顺序将每个无人机的第一段航段取出，放入检查集合中。然后找到一个结束时间最早的航段，将该航段与其它航段两两进行检查。检查完毕后将该航段从集合中取出，然后将该航段的下一个航段加入航线冲突检查集合，并再次选出结束时间最早的航段与集合中其它航段进行检查，以此迭代，直到检查完所有的无人机的所有航段。

在对两个无人机的检查航段进行检查时，需要考虑每个航段的起始时间不同，结束时间不同。基于差异，将两个无人机航段的起始时间进行对齐，调整为相同的起点。如图2所示，当两个航段起始时间不同时，反向拓展起始时间晚的航段。本文中讨论的航段均为直线段，因此可采用反向延长需拓展的航段，直到两个无人机起始时间相同。设定P

假设无人机在运行中需与其它无人机保持最小r

当两无人机最短距离大于等于r

在此基础上，将两个无人机的航段表达为时间变量t的函数。当通过时间对齐使两个无人机的出发时间相同后，可通过无人机的初始相对位置与相对速度的关系检测无人机之间的冲突问题。

定义无人机A

参见图3，在局部坐标系中，定义A

P′

假设无人机保持匀速运动，则v

A

计算A

上式是一个1元2次方程。

将上式进行代换

当Δ＞0时，解为

首先定义既有冲突和潜在冲突。根据A

定义航段A

分析潜在冲突风险：

(1)如果t有两个解：

当(t

当(t

(2)如果t无解或者t只有一个解，因进入检测的两个无人机，两个航段的最短距离小于安全距离，则此时两个无人机到达冲突区间的时间存在时间差，因而没有发生冲突，但可能因为时间调整，使潜在冲突转化为既有冲突。

分析既有冲突风险：

(1)如果t有两个解：

当(t

(2)如果t无解或者t只有一个解：

此时两个无人机到达冲突区间的时间存在时间差，因而没有发生既有冲突。

如果对航线冲突检查集合中所有航段的冲突检查完毕，将结束时间最快的航段取出，找到该航段所对应无人机的下一个航段放入检查队列，继续进行冲突检测，同时如果有冲突信息，则将涉及冲突的航线相关信息记录到冲突集中，然后进行下一步分析。

以此类推，在三维空间也能够进行冲突检测。针对不同的安全区域，可以采用不同的方法。

如果是圆柱状的安全区域，可以采用映射的方法在水平面X-Y平面和竖直坐标轴Z轴分别讨论的方法；如果是球状的安全区域，则可以直接拓展本算法就可以获得很好的结果。

S2、基于混合整数线性规划模型协调既有冲突和潜在冲突的消解约束，确定基于出发时间调整的每个无人机的冲突消解策略。

规定时间调整的最大值为T(T>0)，表明时间调整有一定的限度。定义时间变量t

根据A

为了对切线约束和终点约束进行统一分析，需要对其进行进一步分析。如图4(a)所示，当两个无人机航段产生交叉时，为保证两个无人机之间最小距离大于或等于r

如图4(b)所示，当两个无人机的航段不产生交叉时，A

后续的分析，我们通过Δx和L来统一描述切线约束和终点约束的问题。

S21、面向两个无人机既有冲突的消解。假设目标无人机A

(1)当A

同时调整A

需要注意的是，本实施例进行冲突消解后的约束分析，t的取值范围有正有负，当t为负数时，表示起始时间推迟t秒；当t为正数时，表示起始时间提前t秒。

当A

v

也可以令A

-(v

(2)当A

同时调整A

v

也可以令A

-(v

S22、面向两个无人机潜在冲突的约束。

两个无人机之间存在潜在冲突时，不合理的时间调整可能导致潜在冲突发展为既有冲突，从而使空域冲突涉及的范围变大。因此需要考虑潜在冲突对每个无人机的航线调整产生的约束。

为了对切线约束和终点约束进行统一分析，对其进行进一步分析。如图5(a)所示，当两个无人机航段产生交叉时，为了保证两个无人机之间的最小距离大于或等于r

如图5(b)所示，当两个无人机的航段不产生交叉时，A

假设目标无人机A

(1)当A

同时调整A

-(v

当v

或者，A

-(v

当A

(2)当A

同时调整A

-(v

当-Δx

或者，A

-(v

S23、面向多无人机的冲突消解。

综上分析，对n个无人机的航段序列进行冲突检查时，得到每个无人机各航段存在的既有冲突和潜在冲突的约束集。结合所有约束建立混合整数线性规划模型，进一步求解模型，可以得到调整时间T＝{t

定义A

面对上述分析的四种约束，两个无人机的航段只能满足其中一种约束，定义整型变量

当c

或

M为一个无穷大的实值。由于当c

当c

和/>

本实施例还提供一种多无人机离线航线冲突检测与消解装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现图6所示的方法。

本实施例的一种多无人机离线航线冲突检测与消解装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种多无人机离线航线冲突检测与消解方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图6所示的方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。