空域航空器碰撞风险评估的建模仿真研究

空域运行风险评估利用预估碰撞风险概率来保证飞行间隔。为保障空域安全,提出采用缩小垂直间隔(RVSM)Reich模型的椭柱形改进模型,用以对RVSM空域碰撞风险进行建模分析。新算法首先确定评估空域、影响安全性的各参数间的关系和最大可接受的碰撞风险值等用以建立模型,计算出碰撞风险的发生概率;最后采用临界值比对方法得出当前的安全等级系数,以确定出标准。采用结构尺寸较大机型的实测数据进行仿真,并将Event模型算法与新方法进行比较。仿真结果验证了新模型简化算法的同时也提高了评估精度,具备可行性和优越性。     

面向无人机自主防碰撞的认知博弈制导控制

针对非隔离空域中的无人机碰撞规避问题,提出一种基于认知博弈制导的无人机自主防碰撞方法.首先,描述了非隔离空域中无人机自主防碰撞控制问题.其次,建立了无人机与入侵机的运动学模型,并构建了无人机的认知安全域,将无人机碰撞规避问题转化为涉及两方的博弈问题.然后,提出了制导策略集的求解方法.最后,仿真结果验证了所提方法的有效性.     

基于仿人发育的混合空域智能无人机 防碰撞策略研究

随着低空开放政策的实施,无人机将会脱离隔离空域,进入低空与各式各样飞行器混合进行飞行。而防碰撞能力作为无人机的关键技术,在混合空域中保持无人机安全飞行起到了至关重要的作用。通过对人的发育式学习防碰撞机理进行分析,建立了面向混合空域中密集障碍的实体模型和发育模型,最终构建了基于仿人发育的无人机防碰撞方法。仿真实验表明,提出的方法不仅使无人机可以通过学习与发育不断提高飞行安全性,而且还可以随着环境熟悉度的提升,加快无人机防碰撞行为,提高了无人机在混合空域密集障碍中的安全性与智能性。     

数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定

低空飞行空间范围小、目标速度慢、环境要素杂,传统的经纬度表征方式无法满足智联环境下的低空精细管理要求,为此本文研究了数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定问题。首先,从“点-线-面”视角构建了多维度低空空域结构要素量化表征规则,提出了低空空域多层级栅格量化表征方法;然后,通过判定不同空域栅格的“点-线-面”位置关系,提出了基于栅格交集矩阵的低空空域拓扑关系度量方法;最后,综合考虑低空无人机碰撞指数、低空栅格利用指数等优化目标,以及节点与栅格匹配约束、空间位置约束、无人机与无人机/障碍物安全约束等限制条件,建立了面向多维性能的低空空域栅格粒度最优标定模型。针对城市低空典型飞行任务场景对所提方法的有效性及优化效果进行了验证分析。实验结果表明,针对任意设定的低空空域和无人机飞行任务,在可接受的无人机碰撞指数和栅格利用指数下,所提方法可对数字低空栅格粒度进行最优配置,从根源上有效确保低空飞行活动的安全和高效。研究成果对于支撑数字低空空域精细化管理和异质飞行器融合运行具有一定的理论价值和应用意义。     

基于MAS的区域管制系统模型

现代信息技术越来越多地应用于空管领域.建立一个空中交通管制仿真系统,对空域进行模拟仿真,可以辅助管制员做出更完善的管制决策.基于多 Agent 技术,应用 BDI 模型通过建立系统信念模型、目标模型、相互作用模型和管制运作流程,构建一个由航班、管制和管理界面三类 Agent 组成的区域管制仿真系统模型.     

入侵目标视觉检测与识别的研究进展

入侵目标视觉检测与识别是无人机感知与规避技术领域中重点研究的课题,关键任务是无人机在飞行过程中通过机载传感器获取光学机载图像中并判断是否存在入侵目标,并对入侵目标进行检测识别和定位。入侵目标视觉检测与识别是将无人机安全集成到国家空域并保证无人机和有人机飞行安全的关键技术之一。本文主要围绕无人机感知与规避技术中的入侵目标视觉检测与识别技术方面,分析检测与识别入侵目标所面临的一些难点问题,综述当前入侵目标视觉检测与识别的主要处理方法,并指出了该领域存在的尚未解决的问题和展望未来的发展趋势。     

无人机认知防碰撞系统安全边界研究

无人机认知防碰撞控制是借鉴人类认知智能,建立复杂动态环境无人机防碰撞控制的新思路,其认知决策的安全边界是系统设计的重要问题.本文整体考虑环境威胁与无人机的相互作用关系,建立了“认知无人机-环境系统”模型.进而定义了系统的防碰撞稳定性,并导出了认知无人机-环境系统的防碰撞稳定条件.在此基础上,通过分析防碰撞稳定的安全特征量,解算出面向动态正向碰撞的无人机认知防碰撞系统的安全边界.仿真实验分析了“云雀”无人机的安全边界特性和防碰撞控制要求,并与其他方法进行了对比.     

基于流体扰动计算的无人机三维无碰撞航路规划

针对三维多架无人机(UAV)入侵的情况,提出一种基于流体扰动计算方法与交互多模型(IMM)算法相结合的无碰撞航路规划算法.首先将流体扰动计算方法用于三维单机入侵情况下的无碰撞航路规划,并简要分析该方法的特点.然后将改进的流体扰动计算方法运用到三维多机入侵的情况,并采用机动目标多模型跟踪算法对机动入侵机进行跟踪并对其未来运动态势进行预测,再结合滚动优化思想在线调整影响系数,在无人机性能约束要求下对避撞航路进行实时的局部优化,最终规划出一条三维可飞行的无碰撞航路.仿真结果表明,该算法能够规避多架入侵机,航路平滑可飞,满足实时性要求.     

配对进近尾流安全间隔优化研究

针对技术发展使得配对进近模式下的尾流间隔显得保守的问题,提出了在侧风条件下对尾流间隔进行优化.通过综合考虑配对飞机最后进近航迹、尾流强度耗散、尾流侧向扩散以及后机对尾涡强度的承受能力,建立了配对进近模式下尾流间隔优化模型.采用江北国际机场数据对不同侧风分量下尾流侧向运动轨迹进行仿真分析.结果表明,当有利侧风分量大于某特定值时,配对后机无需保持尾流安全间隔.结果证明所提方法可以优化飞机间尾流安全间隔.     

轻型无人机飞行控制系统适航安全性研究

随着技术的发展,起飞飞全重25公斤至150公斤的轻型无人机飞行空域可完全融入民航空域,本文试着从适航审定角度讨论其适航安全性。采用民机事故概率统计结果与适航安全水平对比方法,确定了该型无人机系统定量化的期望安全水平。然后以最关键的飞控分系统为对象,在某型无人机上进行了飞行控制功能危险分析和故障模式影响分析,获得飞控分系统安全关键清单。最后基于SAE ARP4754A和RPAS 1309,对飞控分系统部件的期望安全水平进行了定量化规定,和研制保证等级的分配。研究结果对全重25公斤至150公斤轻型无人机的适航审定管理实践有参考借鉴意义。     

Fuzzy Logic Based Approach to Design of Flight Control and Navigation Tasks for Autonomous Unmanned Aerial Vehicles

This paper proposes a fuzzy logic based autonomous navigation controller for UAVs (unmanned aerial vehicles). Three fuzzy logic modules are developed under the main navigation system for the control of the altitude, the speed, and the heading, through which the global position (latitude–longitude) of the air vehicle is controlled. A SID (Standard Instrument Departure) and TACAN (Tactical Air Navigation) approach is used and the performance of the fuzzy based controllers is evaluated with time based diagrams under MATLAB’s standard configuration and the Aerosim Aeronautical Simulation Block Set which provides a complete set of tools for rapid development of detailed six-degree-of-freedom nonlinear generic manned/unmanned aerial vehicle models. The Aerosonde UAV model is used in the simulations in order to demonstrate the performance and the potential of the controllers. Additionally, FlightGear Flight Simulator and GMS aircraft instruments are deployed in order to get visual outputs that aid the designer in the evaluation of the controllers. Despite the simple design procedure, the simulated test flights indicate the capability of the approach in achieving the desired performance.     

针对合作型无人机的最优防相撞策略

为解决复杂融合空域内的无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)冲突解脱过程中消耗大的问题,提出基于速度障碍法的合作型无人机的最优防相撞策略.首先根据有限时间的速度障碍法进行冲突探测,并推导出解脱条件下冲突双方航向改变量与速度大小改变量满足的关系,再将合作博弈概念用在冲突解脱过程中,利用最优化理论...     

基于GPS/北斗的超低空防撞警告系统设计与实现

随着我国民航业尤其是通用航空领域的飞速发展,以及低空开放政策的实施,飞机数量迅速增长,空域变得更加繁忙和拥挤,同时增加了飞机在超低空飞行危险接近的可能性。同时,随着超低空无人机数目的增加,给民航系统带来了一定的安全隐患。基于GPS/北斗的超低空飞机防撞警告系统在超低空范围内为飞行器提供其附近空域中的交通状况,通过4G移动通信实现对飞行数据信息的实时接收处理和对飞行器的实时监控,在当飞行器存在潜在的安全隐患时,作出相应等级的警告并提前向相应飞行器发出警告信息,帮助飞行器选择安全的航路,避免飞行器间的碰撞危险。     

Design and Hardware-in-the-Loop Integration of a UAV Microavionics System in a Manned–Unmanned Joint Airspace Flight Network Simulator

One of the challenges for manned-unmanned air vehicles flying in joint airspace is the need to develop customized but scalable algorithms and hardware that will allow safe and efficient operations. In this work, we present the design of a bus-backboned UAV microavionics system and the hardware-in-the-loop integration of this unit within a joint flight network simulator. The microavionics system is structured around the Controller Area Network and Ethernet bus data backbone. The system is designed to be cross-compatible across our experimental mini-helicopters, aircrafts and ground vehicles, and it is tailored to allow autonomous navigation and control for a variety of different research test cases. The expandable architecture allows not only scalability, but also flexibility to test manned-unmanned fleet cooperative algorithm designs at both hardware and software layer deployed on bus integrated flight management computers. The flight simulator is used for joint simulation of virtual manned and unmanned vehicles within a common airspace. This allows extensive hardware-in-the-loop testing capability of customized devices and algorithms in realistic test cases that require manned and unmanned vehicle coordinated flight trajectory planning.     

无人机空中加油自主会合控制器设计

针对自主空中加油中的飞行器会合问题,提出一个完整的自主控制方案,以使无人机在无加油机主动配合情况下具备自主会合能力.通过改进带终端碰撞角约束的比例导引律,将期望的会合点作为跟踪目标,实现终端航向的控制.为了满足会合对无人机机动性能的要求,使用Backstepping方法设计控制律,在保证无人机稳定性的基础上,实现了制导信号的精确跟踪.仿真结果验证了所提出控制方案的有效性.     

A Survey and Categorization of Small Low-Cost Unmanned Aerial Vehicle System Identification

Remote sensing has traditionally be done with satellites and manned aircraft. While these methods can yield useful scientific data, satellites and manned aircraft have limitations in data frequency, process time, and real time re-tasking. Small low-cost unmanned aerial vehicles (UAVs) can bridge the gap for personal remote sensing for scientific data. Precision aerial imagery and sensor data requires an accurate dynamics model of the vehicle for controller development. One method of developing a dynamics model is system identification (system ID). The purpose of this paper is to provide a survey and categorization of current methods and applications of system ID for small low-cost UAVs. This paper also provides background information on the process of system ID with in-depth discussion on practical implementation for UAVs. This survey divides the summaries of system ID research into five UAV groups: helicopter, fixed-wing, multirotor, flapping-wing, and lighter-than-air. The research literature is tabulated into five corresponding UAV groups for further research.     

有人/无人机协同打击航路智能规划

随着航空技术的发展,战机朝着高速化、隐身化、无人化、智能化发展,有人/无人机协同是当前的发展方向.如何在满足协同约束的条件下,对有人机和无人机的航路进行规划与控制,并体现二者鲜明的职能分工还没有有效的方法.本文阐述了一种基于聚类再分配,得到待优化航路点的航路点预处理方法.首先简要的对K-means++算法的基本流程,然后针对战地环境中目标的不规则分布特点,建立了战地各要素模型,提出将自适应增类的聚类思想和二次聚类模型应用到航路规划的航路点预处理中,并使用匈牙利算法和遗传算法对航路点进行规划.通过仿真验证,本文提出的方法能够很好的避免传统算法的局限,能够在满足协同条件的同时,减小航路代价,简化规划复杂度.     

无人机空中加油过程中分数阶滑模会合导引控制

针对带末端角度和末端速度约束的无人机空中加油自主会合问题,设计了一种3维分数阶滑模导引律,使无人机在无加油机主动配合的情况下具备自主会合能力.首先,根据无人机与加油机之间的相对运动关系,设计了3维比例导引规律,使无人机能够到达期望的加油位置.其次,利用滑模控制的强鲁棒性特点以及分数阶微积分的精细控制特性,基于变结构理论和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种带有末端角度约束的3维分数阶滑模变结构控制律,并用所设计的分数阶滑模控制律对3维比例导引指令进行重构,使无人机能以期望的末端追踪角度到达加油位置.然后,构造了速度指令生成器,对无人机的末端速度进行约束.最后,对所设计的导引律进行了仿真验证,仿真结果表明所设计出来的导引律能满足追踪角度和速度约束的要求.     

基于VxWorks的无人机半物理仿真研究

为满足无人机飞控/导航控制律参数调节的需要,提出了新的基于MATLAB/Simulink/RTW和嵌入式实时操作系统VxWorks的无人机半物理仿真方法。建立无人机仿真模型,给出了仿真模型配置的关键技术。该系统的硬件平台采用PC/104总线的体系结构,利用RTW接口下载飞机数学模型到VxWorks操作系统。仿真结果表明,系统具有良好的性能和稳定性。