● 摘要
由于缺乏自主感知与规避威胁的能力，为避免飞行冲突，无人机飞行中往往采用独享空域的方法，造成了空域的极大浪费，也严重制约了无人机的进一步发展。随着民用航空、通用航空的快速发展，空域将日趋珍贵，如何在确保飞行安全的前提下通过共享提高空域的利用率成为了新的研究热点。威胁感知与规避技术正是基于这一需求而开展的。本文主要针对无人机自主规避防撞策略进行了研究。主要内容包括碰撞检测、无人机避撞区建模、实时航迹规划以及航迹跟踪控制几个部分。面对入侵飞行器，首先通过模糊冲突判定方法，计算得到飞机间的空间接近度，从而确定入侵机的威胁程度。当达到一定威胁级别时，启动碰撞检测算法，进一步确定飞机间是否会发生碰撞。该方法减少了系统的计算量，提高了飞行碰撞检测的效率，为空中自主避撞提供理论决策支持。 如果无人机与入侵机存在飞行冲突，则应启动无人机动态避撞区建模程序。通过分析所获得的入侵机飞行信息，并结合无人机自身的机动能力以及位置、姿态、飞行速度等信息建立无人机避撞区包络。为系统应急机动策略同时提供了最小避撞距离与避撞所需时间双重参考信息，更大程度上保证了避撞成功率。 系统自主规避策略采用实时航迹规划算法，对参考航迹进行在线重规划。本文采用人工势场法与粒子群优化算法相结合的方案，通过粒子群算法对人工势场法中相关参数进行优化处理，使得所规划航迹具有更好的可飞性能。并在此基础上，解决了传统人工势场法中存在的局部最小解问题以及所规划航迹的平滑处理问题。 以规划航迹为参考航迹，完成航迹跟踪控制系统的设计，分别设计了无人机纵向航迹跟踪控制器以及横侧向航迹跟踪控制器。在侧偏距控制器设计中，改进了传统的跟踪离散航迹点的航迹跟踪方法，通过引入拉格朗日多项式插值算法，对航迹规划所得离散航迹点进行曲线平滑处理，得到曲线航迹，并引入曲线曲率作为补偿量，跟踪效果得到明显改善。