CN110634332B - 一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，且公开了一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，所述流量控制方法分为以下六个部分：S₁无人机模型设计、S₂机场航路图模型设计、S₃航路规划方法设计、S₄飞行延时策略、S₅机场航路图更新方法设计、S₆紧急降落。该中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，通过图论的中小型垂直起降固定翼无人机与多旋翼无人机于机场空域流量控制方法，利用图论方法对机场剩余航路实时调整，能够确保无人机在机场空域飞行安全，较好完成无人机在机场区域流量控制的目标，并且为需要紧急降落的无人机提供安全高效的接口，该方法满足实际情况下机场区域流量控制的需要，算法计算量小，鲁棒性高，普适性好，对类似机场均适用。

Description

一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体为一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法。

背景技术

无人机应用于城市物流前景广阔，垂直起降与多旋翼无人机均可实现悬停与垂直起降，机动性能优异，转向灵活，对机场条件要求较低，适合应用于城市物流。民航采用的机场流量控制方法并不适用于可垂直起降的中小型无人机，且当前市面上的无人机机场也仅能实现单次单架无人机起降，在前一架无人机离开机场之后后续无人机才能进入。在真实的物流场景中，“机场”将是物资库存区、中转站或配送站，需具有同时起降多架无人机的能力。在机场区域无人机密度较大时，需要设计应用于城市物流场景的机场与合理的流量控制方法，保证无人机在机场区域的飞行安全并提高通行效率。因此，本专利申请提出了一种基于图论的中小型垂直起降固定翼无人机与多旋翼无人机于机场空域流量控制方法，该方法通过对机场航路实时调整，为进入机场空域的无人机规划出安全有效的航路，控制无人机的起降时间，达到流量控制的目的。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，具备规划路线、安全出行的优点，解决了背景技术提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，所述流量控制方法分为以下六个部分：S₁无人机模型设计、S₂机场航路图模型设计、S₃航路规划方法设计、S₄飞行延时策略、S₅机场航路图更新方法设计、S₆紧急降落。；

S₁无人机模型设计，无人机模型为质点模型。在无人机安全飞行时，可以将每一架无人机都视为一个质点，则无人机质点模型为：

其中l_i＞0，p_U,i表示第i架无人机的位置，v_i表示第i架无人机的速度，v_d,i表示第i架无人机的期望速度。

S₂机场航路图模型设计，机场航路图模型采用图论模型，用无向图Γ＝(N,E)表示机场航路图模型，用N来表示机场所有节点，机场节点数量为n_N，

为正整数集，则图Γ节点可枚举表示为：

而E来表示机场所有航路，且

机场航段数量为n_E，则图Γ航段可枚举表示为:

任意航段都可以用其两侧节点表示为：

E(j)＝{N(j)_s,N(j)_e}∈E，N(j)_s，N(j)_e∈N

令机场航路图图论模型为Γ，则得到Γ中航路图步骤如下：

(1)获取所有机场节点坐标，设共有n_N个节点

编号为i的节点为N(i)，坐标为

(2)获取Γ的邻接矩阵A，A为n_N阶对称方阵，其值如下所示：

(3)以距离为机场航路图的权值，根据节点坐标位置与节点之间连通关系，计算得到带距离权值的邻接矩阵G_A，其值如下所示：

该矩阵包含了各节点之间的相对位置及连通关系，通过对该矩阵进行计算可实现机场区域的流量控制。

S₃航路规划方法设计，无人机的航路由无向图Γ中的边组成，设无人机U_k的航路中第i航段表示为E_k(i)，则航路以图Γ中航段的形式表示如下：

R_E,k＝[E_k(1),E_k(2),...,E_k(n_r)] (6)

其中n_r表示航路中边的数量，对于前后相接的航段E_k(1)，E_k(2)，前方航段起点即为后方航段终点，设沿无人机前进方向，令航段E_k(j)前方为航段E_k(j+1)，E_k(j)的起点为N_s(E_k(j))，终点为N_e(E_k(j))，则

N_e(E_k(j))＝N_s(E_k(j+1)) (7)

其中，

设使用节点编号表示的U_k航路为R_N,k，

进场规划时，以入口N(i)为起点(图1中N(i)＝N(4))，以各个停机坪节点N(j)终点,(停机坪节点编号为21～26),用Dijkstra算法逐个计算出在无向图Γ中从入口N(i)到所有任意停机坪N(j)的最短进场路径，取长度最短的一条为R_N,k，即进场路径为入口到各停机坪各个停机坪最短路径中最短的一条，在机场中没有无人机时，U₁进场路径R_N,1＝[N(4),N(1),N(5)],U₂进场路径R_N,2＝[N(4),N(7),N(10)]；

离场航路规划与进场时类似，以当前停机坪节点N(i)为起点，以机场出口N(j)为终点(N(j)＝N(15))，可直接用Dijkstra算法计算出离场路径R_N,k。

S₄飞行延时策略，设U_k接收到进场离场指令的时间为t_s,k，在该时间点为无人机规划路径，若无可用路径，起降延时，U_k在当前位置等待，并在一段时间后再次规划航路，直到航路可用，设U_k在当前时刻总延时为T_d,k，每次延时增加的时间为t_step,k，从开始等待到完成规划航路流程，采用的延时策略将进场与离场的无人机分开计算，即进场与离场无人机之间的延时计算互不影响。

S₅机场航路图更新方法设计，机场航路图更新根据无人机的飞行状态、实时位置等信息，将机场中部分航段中断或恢复，对航路图G_A进行更新的目的为确保无人机在机场区域的飞行安全，并在保证安全前提下提高无人机进离场效率，提高机场容量，设在当前时刻下，去掉中断的航路后，剩余机场航路图为G_A,r，机场航路图的更新实质上就是对G_A,r的值不断归零与恢复原值，为保证无人机的飞行安全，规定任意时刻下同航段上只能有一架无人机飞行；

若G_A(i,j)＝0，表示航点N(i)与N(j)之间不存在航路，更新航路时，对于原本不存在的航路，即A(i,j)＝0所对应的N(i)与N(j)之间不会产生新的航路，航路的更新仅指对原有的航路进行变化；

无人机U_k的实时位置为p_U,k，当前速度为v_k，为保证飞行安全，防止在同时段飞行的无人机前方航路存在公共节点，规定在规划出航路后中断航路中所有节点周围的航段；无人机每经过一个节点，恢复该节点周围部分航路，飞行前方航段除外；

设置一个标志位矩阵G_F记录航段被中断的次数，且G_F与邻接矩阵A共同判断各个航段是否可以中断或者回复，G_F初始值为A，G_F(i,j)＝1表示节点i,j之间航路为通，否则表示航路不存在或已中断，在整个机场运行过程中，当G_F满足一定条件时，对G_A,r进行更新，条件如下所述，无人机规划出有效航路之后，若G_F(i,j)≤0且原本存在航路(A(i,j)＝1)，说明该航路已被中断，只需使G_F(i,j)＝G_F(i,j)-1；否则说明两点之间原本不存在航路，无需进行处理，无人机飞过一个航点时，若以该节点为端点的航段对应的G_F(i,j)＝0且原本存在航路，则恢复航路，且使G_F(i,j)＝1；若G_F(i,j)＜0且原本存在航路，只需使G_F(i,j)＝G_F(i,j)+1，此时不允许恢复两点间航段。注意G_F为对称矩阵，在更新G_F(i,j)时需要同步更新G_F(j,i)；

为防止无人机通过已经停放有无人机的停机坪上方航点，停机坪区域需要进行特殊处理。

进场无人机航路图更新步骤如下：

(1)设无人机U_k的进场航路R_N,k＝[N(i₁),N(i₂),...,N(i_r)]，则

G_A,r对称，将G_A,r(i_n,i_m)一同修改，并对G_F进行更新，规划出有效航路后，将所有以R_N,k中节点为端点的航段中断；

(2)无人机飞行至停机坪区域前，每经过一个节点，会恢复以该节点为端点的周围所有航段，无人机经过N(i_a)时

G_A,r变化表达式如下：

同理，将G_A,r(i_n,i_a)一并修改并对G_F进行更新。要注意恢复的航路不包括N(i_a)到下一航点之间的航段。

(3)无人机到达停机坪区域时，为避免后续无人机进入已被占据的停机坪，规定无人机到达停机坪节点N(i_r-1)与N(i_r)时不恢复周围航路，也不改变停机坪区域航段的标志位，在无人机进场直到起飞离开停机坪的过程中需一直保持停机坪区域航路中断的状态，直到无人机起飞后才会恢复，离场航路图更新与进场时类似。但在规划离场航路前，需先将无人机所在的停机坪区域航路恢复，否则无法规划出可用航路。若规划出的航路无效，则需再次中断该停机坪区域的所有航段，到下个离场时间点再次恢复。更新过程需符合G_F进行更新。航路图更新步骤与进场时步骤(1)(2)相同，但在步骤(2)时可以一直飞离出口节点。

S₆紧急降落，对无人机紧急航路设计如下：

(1)紧急降落的无人机与其它无人机从不同入口进入，这个紧急入口可以在原入口的上方；

(2)在所有停机坪上方增加一个航点，该航点在原有停机坪上方航点更高处，与紧急入口等高；

(3)无人机从紧急入口进入，直接飞行到距离最近的可停靠的停机坪上方航点后降落；

(4)若从紧急入口到不同停机坪上方直连航线夹角极小，则将部分航线进行合并，即无人机需要飞行至较远停机坪时，先经过较近的停机坪上方节点；

用E_k来表示无人机U_k是否需要紧急降落，E_k＝0表示无人机正常飞行，E_k＝1表示无人机需要紧急降落。紧急降落的无人机航路规划方式与正常降落的无人机基本相同。但多条航线之间夹角可能较小，在进场后短时间内一条航线上飞行的无人机到其余航线的最短距离可能小于安全距离，若有其他无人机在接近的时刻紧急降落可能造成危险。为保证无人机飞行安全，在一架无人机进场后所有紧急航路对后续无人机中断，直到该无人机飞出一段距离后再恢复这些航路。在实际情况下，紧急降落的无人机密度较低，每次增加的延时时间t_step,k采用固定值即可

本发明具备以下有益效果：

该中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，通过图论的中小型垂直起降固定翼无人机与多旋翼无人机于机场空域流量控制方法，利用图论方法对机场剩余航路实时调整，能够确保无人机在机场空域飞行安全，较好完成无人机在机场区域流量控制的目标，并且为需要紧急降落的无人机提供安全高效的接口。该方法满足实际情况下机场区域流量控制的需要。算法计算量小，鲁棒性高，普适性好，对类似机场均适用。

附图说明

图1是机场航路模型；

图2是进场最短路径图；

图3是无人机进离场延时流程图；

图4是无人机单次延时时长判断流程图；

图5是剩余航路示意图；

图6是进场航路图更新流程图；

图7是离场航路图更新流程图；

图8是添加紧急降落航路的机场航路模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，所述流量控制方法分为以下六个部分：S₁无人机模型设计、S₂机场航路图模型设计、S₃航路规划方法设计、S₄飞行延时策略、S₅机场航路图更新方法设计、S₆紧急降落；

S₁无人机模型设计，无人机模型为质点模型，在无人机安全飞行时，可以将每一架无人机都视为一个质点，则无人机质点模型为：

其中l_i＞0，p_U,i表示第i架无人机的位置，v_i表示第i架无人机的速度，v_d,i表示第i架无人机的期望速度。

S₂机场航路图模型设计，机场航路图模型采用图论模型，用无向图Γ＝(N,E)表示机场航路图模型，用N来表示机场所有节点，机场节点数量为n_N，

为正整数集，则图Γ节点可枚举表示为：

而E来表示机场所有航路，且

机场航段数量为n_E，则图Γ航段可枚举表示为:

任意航段都可以用其两侧节点表示为：

E(j)＝{N(j)_s,N(j)_e}∈E，N(j)_s，N(j)_e∈N

令机场航路图图论模型为Γ，则得到Γ中航路图步骤如下：

(1)获取所有机场节点坐标，设共有n_N个节点

编号为i的节点为N(i)，坐标为

(2)获取Γ的邻接矩阵A，A为n_N阶对称方阵，其值如下所示：

(3)以距离为机场航路图的权值，根据节点坐标位置与节点之间连通关系，计算得到带距离权值的邻接矩阵G_A，其值如下所示：

该矩阵包含了各节点之间的相对位置及连通关系，通过对该矩阵进行计算可实现机场区域的流量控制。

S₃航路规划方法设计，无人机的航路由无向图Γ中的边组成，设无人机U_k的航路中第i航段表示为E_k(i)，则航路以图Γ中航段的形式表示如下：

R_E,k＝[E_k(1),E_k(2),...,E_k(n_r)] (6)

其中n_r表示航路中边的数量，对于前后相接的航段E_k(1)，E_k(2)，前方航段起点即为后方航段终点，设沿无人机前进方向，令航段E_k(j)前方为航段E_k(j+1)，E_k(j)的起点为N_s(E_k(j))，终点为N_e(E_k(j))，则

N_e(E_k(j))＝N_s(E_k(j+1)) (7)

其中，

设使用节点编号表示的U_k航路为R_N,k，

进场规划时，以入口N(i)为起点(图1中N(i)＝N(4))，以各个停机坪节点N(j)终点,(停机坪节点编号为21～26),用Dijkstra算法逐个计算出在无向图Γ中从入口N(i)到所有任意停机坪N(j)的最短进场路径，取长度最短的一条为R_N,k，即进场路径为入口到各停机坪各个停机坪最短路径中最短的一条，在机场中没有无人机时，U₁进场路径R_N,1＝[N(4),N(1),N(5)],U₂进场路径R_N,2＝[N(4),N(7),N(10)]；

离场航路规划与进场时类似，以当前停机坪节点N(i)为起点，以机场出口N(j)为终点(N(j)＝N(15))，可直接用Dijkstra算法计算出离场路径R_N,k。

S₄飞行延时策略，设U_k接收到进场离场指令的时间为t_s,k，在该时间点为无人机规划路径，若无可用路径，起降延时，U_k在当前位置等待，并在一段时间后再次规划航路，直到航路可用，设U_k在当前时刻总延时为T_d,k，每次延时增加的时间为t_step,k，从开始等待到完成规划航路流程，采用的延时策略将进场与离场的无人机分开计算，即进场与离场无人机之间的延时计算互不影响；

设计延时策略目的有二：禁止进场时后方无人机超越前方等待的无人机；使延时等待最久的无人机尽早进场或离场。上述目的通过改变无人机每次延时t_step,k来实现，设置一个较小的t_step1，一个较大的t_step2，可令t_step2≥2×t_step1，当存在多架无人机延时，延时时间最长的无人机采用t_step1作为t_step,k，其它无人机采用t_step2，设在当前时刻进场延时或离场延时的无人机数量为n_U,d，机场中全部无人机数量为n_U,ttl。无人机是进场延时或离场延时可通过判断U_k的实时位置

得出。判断无人机t_step,k的策略如图4所示。

由图3可知，无人机规划出航线后延时时间归零，因此若T_d,k＞0，U_k处于延时状态。之后可根据处于延时状态无人机的数量及其等待时间来规定t_step,k的值。

S₅机场航路图更新方法设计，机场航路图更新根据无人机的飞行状态、实时位置等信息，将机场中部分航段中断或恢复，对航路图G_A进行更新的目的为确保无人机在机场区域的飞行安全，并在保证安全前提下提高无人机进离场效率，提高机场容量，设在当前时刻下，去掉中断的航路后，剩余机场航路图为G_A,r，机场航路图的更新实质上就是对G_A,r的值不断归零与恢复原值，为保证无人机的飞行安全，规定任意时刻下同航段上只能有一架无人机飞行；

若G_A(i,j)＝0，表示航点N(i)与N(j)之间不存在航路，更新航路时，对于原本不存在的航路，即A(i,j)＝0所对应的N(i)与N(j)之间不会产生新的航路，航路的更新仅指对原有的航路进行变化；

无人机U_k的实时位置为p_U,k，当前速度为v_k，为保证飞行安全，防止在同时段飞行的无人机前方航路存在公共节点，规定在规划出航路后中断航路中所有节点周围的航段；无人机每经过一个节点，恢复该节点周围部分航路，飞行前方航段除外，但按照上述方法进行航路图更新，当多架无人机在机场内飞行，可能有部分航段被重复中断，若不进行处理，任意一架无人机经过该航段的端点节点之后会将该航路恢复。但此时该航路可能不应恢复，仍会存在安全隐患。

设置一个标志位矩阵G_F记录航段被中断的次数，且G_F与邻接矩阵A共同判断各个航段是否可以中断或者回复，G_F初始值为A，G_F(i,j)＝1表示节点i,j之间航路为通，否则表示航路不存在或已中断，在整个机场运行过程中，当G_F满足一定条件时，对G_A,r进行更新，条件如下所述，无人机规划出有效航路之后，若G_F(i,j)≤0且原本存在航路(A(i,j)＝1)，说明该航路已被中断，只需使G_F(i,j)＝G_F(i,j)-1；否则说明两点之间原本不存在航路，无需进行处理，无人机飞过一个航点时，若以该节点为端点的航段对应的G_F(i,j)＝0且原本存在航路，则恢复航路，且使G_F(i,j)＝1；若G_F(i,j)＜0且原本存在航路，只需使G_F(i,j)＝G_F(i,j)+1，此时不允许恢复两点间航段。注意G_F为对称矩阵，在更新G_F(i,j)时需要同步更新G_F(j,i)；

为防止无人机通过已经停放有无人机的停机坪上方航点，停机坪区域需要进行特殊处理。

进场无人机航路图更新步骤如下：

(1)设无人机U_k的进场航路R_N,k＝[N(i₁),N(i₂),...,N(i_r)]，则

G_A,r对称，将G_A,r(i_n,i_m)一同修改，并对G_F进行更新，规划出有效航路后，将所有以R_N,k中节点为端点的航段中断；

(2)无人机飞行至停机坪区域前，每经过一个节点，会恢复以该节点为端点的周围所有航段，无人机经过N(i_a)时

G_A,r变化表达式如下：

同理，将G_A,r(i_n,i_a)一并修改并对G_F进行更新。要注意恢复的航路不包括N(i_a)到下一航点之间的航段。

(3)无人机到达停机坪区域时，为避免后续无人机进入已被占据的停机坪，规定无人机到达停机坪节点N(i_r-1)与N(i_r)时不恢复周围航路，也不改变停机坪区域航段的标志位，在无人机进场直到起飞离开停机坪的过程中需一直保持停机坪区域航路中断的状态，直到无人机起飞后才会恢复，离场航路图更新与进场时类似。但在规划离场航路前，需先将无人机所在的停机坪区域航路恢复，否则无法规划出可用航路。若规划出的航路无效，则需再次中断该停机坪区域的所有航段，到下个离场时间点再次恢复。更新过程需符合GF进行更新。航路图更新步骤与进场时步骤(1)(2)相同，但在步骤(2)时可以一直飞离出口节点。

S6紧急降落，对无人机紧急航路设计如下：飞行中的无人机可能与到某些紧急情况需要立刻降落，对于此类无人机的调度，需要遵循如下原则：

(1)保证无人机飞行安全；

(2)使无人机尽快降落。

因此，对于需要紧急降落的无人机，其航路需要与正常飞行的无人机航路分开，并且需以尽短的距离飞行至停机坪区域；

(1)紧急降落的无人机与其它无人机从不同入口进入，这个紧急入口可以在原入口的上方；

(2)在所有停机坪上方增加一个航点，该航点在原有停机坪上方航点更高处，与紧急入口等高；

(3)无人机从紧急入口进入，直接飞行到距离最近的可停靠的停机坪上方航点后降落；

(4)若从紧急入口到不同停机坪上方直连航线夹角极小，则将部分航线进行合并，即无人机需要飞行至较远停机坪时，先经过较近的停机坪上方节点；

用E_k来表示无人机U_k是否需要紧急降落，E_k＝0表示无人机正常飞行，E_k＝1表示无人机需要紧急降落。紧急降落的无人机航路规划方式与正常降落的无人机基本相同。但多条航线之间夹角可能较小，在进场后短时间内一条航线上飞行的无人机到其余航线的最短距离可能小于安全距离，若有其他无人机在接近的时刻紧急降落可能造成危险。为保证无人机飞行安全，在一架无人机进场后所有紧急航路对后续无人机中断，直到该无人机飞出一段距离后再恢复这些航路。在实际情况下，紧急降落的无人机密度较低，每次增加的延时时间t_step,k采用固定值即可。

从外部获取机场中节点坐标位置与节点间的连通信息，生成机场航路图。仿真机场航路如图8所示，仿真初始时刻机场中没有无人机。从外部获取无人机速度v_k、选择入口信息E_k与无人机进场及离场时间，计算标志位矩阵G_F，仿真无人机在机场航路的飞行。

无人机进场前需选择入口：E_k＝0时从正常飞行入口N(4)进入，E_k＝1时从紧急入口N(27)进入。到达入口时根据实时G_A,r信息规划航路，利用Dijkstra算法计算从入口到各个停机坪的最短降落航线，选择各条最短航线中距离最短的为无人机降落航线R_E,k。若当前时刻不存在有效航路，则无人机需要在入口延迟等待一段时间，之后再次规划航路直至航路有效，如图3所示。若同时有多架无人机延时等待，需使等待时间最长的无人机尽早降落，该无人机每次增加的延时时间较小，其余无人机每次增加的延时时间较大，如图4所示。规划出有效航路后，中断满足G_F条件的航路节点周围航段，G_A,r对应位置值为0并更新G_F。

规划完成航路后，无人机按照R_E,k的顺序飞行直到降落到目标停机坪。仿真时不考虑场外因素影响，可以预估出无人机的实时位置。为了提高机场处无人机的通行效率，U_k每飞过一个航点，除该节点与R_E,k中下一节点之间航段外，满足G_F条件的其它以该节点为端点的航路均被恢复，G_A,r对应位置数据恢复原值，并更新G_F；为防止U_k降落后后续无人机通过该停机坪上方节点，规定以进场无人机航路中最后两个航点，即停机坪与停机坪上方节点为端点的航线在无人机经过节点后不恢复这部分航路，如图6所示，G_F对应的标志位也不进行变化。

若无人机需要紧急降落，无人机从N(27)进场，规划紧急降落的航路，可以在保证无人机安全情况下，使无人机以最短的航路降落，紧急降落的航路如图8所示。U_k刚进入机场时，位置在以N(27)为起点的航路靠近N(27)一侧，U_k到其余各条紧急航线距离较短，存在安全隐患。为保证无人机的飞行安全，规定一架无人机进场后所有以紧急入口为端点的紧急航段全部中断，在该无人机飞出一段距离后恢复全部紧急航路。其余情况下航路图更新同无人机正常降落一致。注意在航段中断与恢复时满足G_F条件并在航路图更新后更新G_F矩阵。

无人机在离场前，停机坪区域的航路全部中断，无法规划出可用航路，因此在停机坪区域航路满足G_F条件时，在规划航路前需要将被占据的停机坪区中的航线资源恢复并更新G_F。若规划出的航路无效，则在航路规划后需将该部分航路资源再次中断，G_A,r对应值更新为0且更新G_F矩阵。若规划出无效航路，需延时起飞，延时策略与进场时相同。规划出有效航路后，航路图更新方法与进场时基本相同，每经过一个航路节点，恢复该节点周围满足G_F矩阵条件的航路，且不需要在航路末尾几个节点特殊处理，如图7所示。

机场区域能够实现多架无人机同时进离场，其中，允许多架无人机同时进场，但只允许同时段有一架无人机离场。可以通过测试仿真过程中机场中无人机之间的最短距离来评估该流量控制方法的安全性能，通过调整无人机的进场间隔，记录无人机的延误时间，得到机场运行容量[2]，即在可接受的延误水平下，空域***单位时间所能服务的最大航空器架次，来评估机场性能。

仿真结果表明，本发明方法能实现无人机在机场空域安全有序飞行，较好地实现对机场区域无人机的流量控制。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种中小型垂直起降无人机机场空域流量控制方法，其特征在于：所述流量控制方法分为以下六个部分：S1无人机模型设计、S2机场航路图模型设计、S3航路规划方法设计、S4飞行延时策略、S5机场航路图更新方法设计、S6紧急降落；

S1无人机模型设计，无人机模型为质点模型，在无人机安全飞行时，可以将每一架无人机都视为一个质点，则无人机质点模型为：

Pu，i＝Vi

Vi＝-li(Vi-Vd，i)

其中li＞0，Pu，i表示第i架无人机的位置，Vi表示第i架无人机的速度，Vd，i表示第i架无人机的期望速度；

S2机场航路图模型设计，机场航路图模型采用图论模型，用无向图G＝(N，E)表示机场航路图模型，用N来表示机场所有节点，机场节点数量为，为正整数集，则图G节点可枚举表示为：

而E来表示机场所有航路，且

机场航段数量为nE，则图G航段可枚举表示为：

任意航段都可以用其两侧节点表示为：

E(j)＝{N(j)s，N(j)}e∈E，N(j)s，N(j)e∈E

令机场航路图图论模型为G，则得到G中航路图步骤如下：

(1)获取所有机场节点坐标，设共有nN个节点(1＜nN∈Z₊)，编号为i的节点为N(i)，坐标为P_wp，i∈R³；

(2)获取G的邻接矩阵A，A为nN阶对称方阵，其值如下所示：

(3)以距离为机场航路图的权值，根据节点坐标位置与节点之间连通关系，计算得到带距离权值的邻接矩阵G_A，其值如下所示：

该矩阵包含了各节点之间的相对位置及连通关系，通过对该矩阵进行计算可实现机场区域的流量控制；

S3航路规划方法设计，无人机的航路由无向图G中的边组成，设无人机Uk的航路中第i航段表示为E_k(i)，则航路以图G中航段的形式表示如下：

R_E，k＝[E_k(1)，E_k(2)，...，E_k(nr)]

其中nr表示航路中边的数量，对于前后相接的航段E_k(1)，E_k(2)，前方航段起点即为后方航段终点，设沿无人机前进方向，令航段E_k(j)前方为航段E_k(j+1)，E_k(j)的起点为N_s(E_k(j))，终点为N_e(E_k(j))，则

N_e(E_k(j))＝N_s(E_k(j+1))

其中，1≤j≤n_e∈Z₊，设使用节点编号表示的Uk航路为R_N，k，

R_N，k＝N((R_E，K)

＝[N_S((E_k(1))，N_e(E_k(1))，N_e(E_k(2))，....，N_e(E_k(n_r-1))，N_e(E_k(n_r))]

进场规划时，以入口N(i)为起点(N(i)＝N(4))，以各个停机坪节点N(i)为终点，(停机坪节点编号为21～26)，用Dijkstra算法逐个计算出在无向图G中从N(i)到所有N(i)的最短进场路径，取长度最短的一条为R_N，k，即进场路径为入口到各停机坪各个停机坪最短路径中最短的一条，在机场中没有无人机时，U₁进场路径R_N，1[N(4)，N(1)，N(5)]，U₂进场路径R_N，2[N(4)，N(7)，N(10)]；

离场航路规划与进场时类似，以当前停机坪节点N(i)为起点，以机场出口N(i)为终点(N(i)＝N(15))，可直接用Dijkstra算法计算出离场路径R_N，k；

S4飞行延时策略，设U_K接收到进场离场指令的时间为t_s，k，在该时间点为无人机规划路径，若无可用路径，起降延时，U_K在当前位置等待，并在一段时间后再次规划航路，直到航路可用，设U_K在当前时刻总延时为T_d，k，每次延时增加的时间为t_step，k，从开始等待到完成规划航路流程，采用的延时策略将进场与离场的无人机分开计算，即进场与离场无人机之间的延时计算互不影响；

S5机场航路图更新方法设计，机场航路图更新根据无人机的飞行状态、实时位置等信息，将机场中部分航段中断或恢复，对航路图G_A进行更新的目的为确保无人机在机场区域的飞行安全，并在保证安全前提下提高无人机进离场效率，提高机场容量，设在当前时刻下，去掉中断的航路后，剩余机场航路图为G_A，r，机场航路图的更新实质上就是对G_A，r的值不断归零与恢复原值，为保证无人机的飞行安全，规定任意时刻下同航段上只能有一架无人机飞行；

若G_A(i，j)＝0，表示航点N(i)与N(j)之间不存在航路，更新航路时，对于原本不存在的航路，即A(i，j)＝0所对应的N(i)与N(j)之间不会产生新的航路，航路的更新仅指对原有的航路进行变化；

无人机U_K的实时位置为P_U，k，当前速度为V_k，为保证飞行安全，防止在同时段飞行的无人机前方航路存在公共节点，规定在规划出航路后中断航路中所有节点周围的航段；无人机每经过一个节点，恢复该节点周围部分航路，飞行前方航段除外；

设置一个标志位矩阵G_F记录航段被中断的次数，且G_F与邻接矩阵A共同判断各个航段是否可以中断或者回复，G_F初始值为A，G_F(i，j)＝1表示节点i，j之间航路为通，否则表示航路不存在或已中断，在整个机场运行过程中，当G_F满足一定条件时，对G_A，r进行更新，条件如下所述，无人机规划出有效航路之后，若G_F(i，j)≤0且原本存在航路(A(i，j)＝1)，说明该航路已被中断，只需使G_F(i，j)＝G_F(i，j)-1；否则说明两点之间原本不存在航路，无需进行处理，无人机飞过一个航点时，若以该节点为端点的航段对应的G_F(i，j)＝0且原本存在航路，则恢复航路，且使G_F(i，j)＝1；若G_F(i，j)＜0且原本存在航路，只需使G_F(i，j)＝G_F(i，j)+1，此时不允许恢复两点间航段，注意G_F为对称矩阵，在更新G_F(i，j)时需要同步更新G_F(j，i)；

为防止无人机通过已经停放有无人机的停机坪上方航点，停机坪区域需要进行特殊处理；

进场无人机航路图更新步骤如下：

(1)设无人机U_K的进场航路R_N，k＝[N(i₁)，N(i₂)，....，N(i_r)]，则

G_A，r对称，将G_A，r(i_m，i_n)一同修改，并对G_F进行更新，规划出有效航路后，将所有以R_N，k中节点为端点的航段中断；

(2)无人机飞行至停机坪区域前，每经过一个节点，会恢复以该节点为端点的周围所有航段，无人机经过N(i_a)时

||P_u，k-P_wp，ia||＜V_K/2，G_A，r(2)变化表达式如下：

同理，将G_A，r(i_a，i_n)一并修改并对G_F进行更新，要注意恢复的航路不包括N(i_a)到下一航点之间的航段；

(3)无人机到达停机坪区域时，为避免后续无人机进入已被占据的停机坪，规定无人机到达停机坪节点N(i_r-1)与N(i_r)时不恢复周围航路，也不改变停机坪区域航段的标志位，在无人机进场直到起飞离开停机坪的过程中需一直保持停机坪区域航路中断的状态，直到无人机起飞后才会恢复，离场航路图更新与进场时类似，但在规划离场航路前，需先将无人机所在的停机坪区域航路恢复，否则无法规划出可用航路，若规划出的航路无效，则需再次中断该停机坪区域的所有航段，到下个离场时间点再次恢复，更新过程需符合G_F进行更新，航路图更新步骤与进场时步骤(1)(2)相同，但在步骤(2)时可以一直飞离出口节点；

S6紧急降落，对无人机紧急航路设计如下：

(1)紧急降落的无人机与其它无人机从不同入口进入，这个紧急入口可以在原入口的上方；

(2)在所有停机坪上方增加一个航点，该航点在原有停机坪上方航点更高处，与紧急入口等高；

(3)无人机从紧急入口进入，直接飞行到距离最近的可停靠的停机坪上方航点后降落；

(4)若从紧急入口到不同停机坪上方直连航线夹角极小，则将部分航线进行合并，即无人机需要飞行至较远停机坪时，先经过较近的停机坪上方节点；

用E_K来表示无人机U_K是否需要紧急降落，E_K＝0表示无人机正常飞行，E_K＝1表示无人机需要紧急降落，紧急降落的无人机航路规划方式与正常降落的无人机基本相同，但多条航线之间夹角可能较小，在进场后短时间内一条航线上飞行的无人机到其余航线的最短距离可能小于安全距离，若有其他无人机在接近的时刻紧急降落可能造成危险，为保证无人机飞行安全，在一架无人机进场后所有紧急航路对后续无人机中断，直到该无人机飞出一段距离后再恢复这些航路，在实际情况下，紧急降落的无人机密度较低，每次增加的延时时间t_step，k采用固定值即可。

Images