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面向航空器集群的多尺度保护区模型与改进速度障碍法

艾毅 庾映雪 钟庆伟 韩珣 万琪峰

艾毅, 庾映雪, 钟庆伟, 韩珣, 万琪峰. 面向航空器集群的多尺度保护区模型与改进速度障碍法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 49-58. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.005
引用本文: 艾毅, 庾映雪, 钟庆伟, 韩珣, 万琪峰. 面向航空器集群的多尺度保护区模型与改进速度障碍法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 49-58. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.005
AI Yi, YU Yingxue, ZHONG Qingwei, HAN Xun, WAN Qifeng. Multi-scale Protected Zone Models and an Improved Velocity Obstacle Method for Aircraft Swarms[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 49-58. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.005
Citation: AI Yi, YU Yingxue, ZHONG Qingwei, HAN Xun, WAN Qifeng. Multi-scale Protected Zone Models and an Improved Velocity Obstacle Method for Aircraft Swarms[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 49-58. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.005

面向航空器集群的多尺度保护区模型与改进速度障碍法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.005
基金项目: 

国家自然科学基金项目 62203451

智能警务四川省重点实验室开放课题 ZNJW2023KFMS001

四川省科技计划项目 2023JDRC0004

详细信息
    作者简介:

    艾毅(1988-), 博士, 副教授. 研究方向: 交通运输规划与管理. E-mail: aiyi@cafuc.edu.cn

    通讯作者:

    韩珣(1991-), 博士, 副教授. 研究方向: 交通信息工程及控制、交通安全等. E-mail: hldwxhx@163.com

  • 中图分类号: U8

Multi-scale Protected Zone Models and an Improved Velocity Obstacle Method for Aircraft Swarms

  • 摘要: 针对高密度空域中所呈现出的航空器集群现象,研究了1种面向航空器集群的多尺度保护区模型与改进速度障碍法。对比传统单一航空器保护区模型及其速度障碍法存在计算复杂、实时性低等问题,研究了面向航空器的动态椭圆保护区模型以及面向航空器集群的融合保护区模型,在更加精确地刻画单一航空器的飞行状态和安全间隔的同时,创新地实现了由单一航空器保护区向航空器集群保护区的几何变换。所提出的航空器集群保护区模型在融合集群安全间隔特征和运动特征的同时显著降低了模型的特征维度。此外,在多尺度保护区模型的基础上提出了改进速度障碍法,并加入了基于航空器集群的速度障碍边界,降低了算法的计算复杂性。研究模型和算法可以将多航空器刻画为航空器集群,基于航空器集群的实时速度和航向调整边界,在大幅降低计算复杂性的基础上,实现了面向航空器集群的冲突探测与解脱航迹输出。通过仿真实验将本文方法与传统方法进行对比,结果表明:本文方法有效优化了航空器集群的冲突判定机制,将算法所需的计算时间缩短了33%,同时使完成冲突解脱的平均调整幅度降低了60.45%,有效提升了集群现象下的航空器冲突探测与解脱效率。

     

  • 图  1  航空器集群划分

    Figure  1.  Aircraft swarm division

    图  2  航空器动态椭圆保护区模型

    Figure  2.  A dynamic elliptic protection zone model for aircraft

    图  3  面向航空器集群的融合保护区

    Figure  3.  Fusion protection zone for aircraft swarms

    图  4  二维平面传统速度障碍模型

    Figure  4.  Model of two-dimensional plane traditional VO

    图  5  沿$ \vec{\boldsymbol{V}}_j$平移后的速度障碍模型

    Figure  5.  Model of the VO after translation along $ \vec{\boldsymbol{V}}_j$

    图  6  多航空器冲突解脱模型

    Figure  6.  Model of multi-aircraft conflict relief

    图  7  面向航空器集群的改进速度障碍模型

    Figure  7.  Model of improved VO for aircraft swarms

    图  8  t1时刻航空器解脱策略

    Figure  8.  Aircraft release strategies at t1

    图  9  面向航空器集群的改进速度障碍法冲突解脱流程

    Figure  9.  Improved VO method conflict resolution process for aircraft swarms

    图  10  融合保护区模型

    Figure  10.  Fusion protection zone model

    图  11  传统速度障碍模型仿真

    Figure  11.  Traditional VO model simulation

    图  12  改进速度障碍模型仿真

    Figure  12.  Improved VO model simulation

    表  1  3组不同机型航空器位姿信息

    Table  1.   Position information of three groups of aircraft of different types

    实验组 模型 航空器i机型 (xjyj)/km aj /km bj /km θj $ \left|\vec{\boldsymbol{V}}_i\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$ 航空器j机型 (xjyj)/km aj /km bj /km θj $ \left|\vec{\boldsymbol{V}}_i\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$
    1 动态 Cessna172 (70,65) 1.51 0.79 50 3.77 DA40 (50,90) 1.81 0.93 5 4.53
    传统 Cessna172 (70,65) 5.00 5.00 50 3.77 DA40 (50,90) 5.00 5.00 5 4.53
    2 动态 B737-800 (265,260) 3.67 3.01 135 9.17 DA40 (250,300) 1.81 0.93 180 4.53
    传统 B737-800 (265,260) 5.00 5.00 135 9.17 DA40 (250,300) 5.00 5.00 180 4.53
    3 动态 A320 (50,50) 3.60 3.00 20 9 B737-800 (70,90) 3.67 3.01 280 9.17
    传统 A320 (50,50) 5.00 5.00 20 9 B737-800 (70,90) 5.00 5.00 280 9.17
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    表  2  传统保护区与动态椭圆保护区模型对比

    Table  2.   Comparison of traditional and dynamic elliptical protected zone models

    实验组 模型 $ \left|\boldsymbol{V}_i^{\prime}\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$ $ \left|\boldsymbol{V}_i^{\prime \prime}\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$ θi θi′′ 最小解脱速度差/(km/min) 最大解脱速度差/(km/min) 最小解脱航向差/(km/min) 最大解脱航向差/(km/min)
    1 动态 3.56 4.17 23.39 63.98 0.21 0.40 26.61 13.98
    传统 2.82 5.02 14.77 98.95 0.95 1.25 35.23 48.95
    2 动态 8.39 13.38 132.01 143.51 0.78 4.21 2.99 8.51
    传统 7.31 19.83 126.38 148.24 1.86 10.66 8.62 13.24
    3 动态 5.58 11.37 8.61 42.52 3.42 2.37 11.39 22.52
    传统 4.42 13.73 -0.26 52.24 4.58 4.73 20.26 32.24
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    表  3  航空器位姿信息

    Table  3.   Aircraft position information

    序号 机型 (xiyi)/km ai /km bi /km θi /(°) Vi /(km/min)
    1 A320 (30,90) 3.60 3.00 0 9.00
    2 A320 (38,90) 3.50 3.00 -5 8.74
    3 A320 (30,98) 3.32 3.00 1 8.30
    4 Cessna172 (70,80) 1.51 0.79 110 3.77
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    表  4  航空器集群位姿信息

    Table  4.   Aircraft swarm position information

    集群信息 参数值
    (XkYk)/km (32.67,92.67)
    ak/km 9.50
    bk/km 8.89
    θk [-5,1]
    $ \left|\vec{\boldsymbol{V}}_k^{C L}\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$ [8.3,9]
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    表  5  障碍航空器解脱策略

    Table  5.   Obstacle aircraft relief strategies

    集群 T/min $\left|\boldsymbol{V}_i^{\prime}\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$ $\left|\boldsymbol{V}_i^{\prime \prime}\right| /(\mathrm{km} / \mathrm{min})$ θi θ′′i
    集群左下边界 2.75 - 6.63 -5.56 176.49
    集群右上边界 2.60 0.95 8.63 8.75 162.23
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  • 收稿日期:  2023-03-29
  • 网络出版日期:  2024-09-14

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