本发明涉及多机冲突探测与解脱领域，特别是涉及一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法及系统。
背景技术：
低空空域是我国空域系统的重要组成部分，蕴藏着极大的经济和社会价值。随着低空需求的日趋旺盛，充分利用低空资源，科学管控低空飞行成为世界航空大国面临的重要课题。通用航空活动组织方式多样，飞行活动类型繁多，且通常在低空或超低空进行飞行作业，高度分散、点多、线多、面广，易受恶劣天气、地面障碍物、军事飞行活动、飞鸟及无人机等各种随机因素的影响。
低空飞行航空器飞行员依靠机载设备和目视观察，在飞行量较小的空域，可进行较为自主的飞行行为，但在多航线汇聚点等飞行量较大的空域，多架航空器相互影响，飞行员无法完全依靠自主行为完成安全、高效的飞行，需依靠集中式决策来辅助进行冲突避让。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法及系统，以解决现有技术中在多航线汇聚点等飞行量较大的空域，多架航空器相互影响的问题，能够在飞行员无法完全依靠自主行为完成安全、高效飞行的情况下，为飞行员提供冲突避让决策辅助。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法，包括：
获取任意两个航空器之间的当前飞行参数以及相对位置关系；所述当前飞行参数包括速度、航向、高度；
根据所述当前飞行参数确定潜在冲突集合以及汇聚冲突集合；所述潜在冲突集合为在所述航空器的冲突探测区内存在航空器或障碍物的冲突集合，所述汇聚冲突集合为与所述航空器相互汇聚接近的航空器的冲突集合；
根据所述相对位置关系建立多机飞行冲突解脱模型；
获取多个航空器的当前飞行状态；所述当前飞行状态包括避让状态以及普通状态；所述避让状态为所述航空器正在调整速度、转变航向或移动位置的状态；所述普通状态为所述航空器以最优的速度、航向以及高度正在飞行的状态；
根据所述当前飞行状态、所述潜在冲突集合以及所述汇聚冲突集合确定冲突解脱组；
按照解脱优先级从高到低的顺序，依次将所述冲突解脱组内的航空器输入到所述多机飞行冲突解脱模型中，确定冲突避让行为；所述冲突避让行为包括调整至避让速度，改变至避让航向或移动至避让高度；所述解脱优先级是按照所述航空器在当前飞行冲突内从大到小解脱的次序进行排序的。
可选的，所述根据所述当前飞行参数确定潜在冲突集合以及汇聚冲突集合，具体包括：
根据任意两个航空器的所述高度及所述速度计算所述任意两个航空器的相对位移以及相对速度；
根据所述相对位移以及所述相对速度确定任意两个航空器之间存在潜在冲突并确定潜在冲突集合；
根据任意两个航空器的所述航向确定任意两个航空器之间存在汇聚冲突并确定汇聚冲突集合。
可选的，所述根据所述相对位置关系建立多机飞行冲突解脱模型，具体包括：
根据确定相对位置关系划分冲突情况；所述冲突情况包括普通情况、特殊情况以及近距特殊情况；所述冲突情况由航空器i相对航空器j的运动航迹以及所述航空器j的保护区相切时的方向角确定；
根据不同的所述冲突情况建立不同的多机飞行冲突解脱模型。
可选的，所述根据所述当前飞行状态、所述潜在冲突集合以及所述汇聚冲突集合确定冲突解脱组，具体包括：
判断任一所述航空器是否在任一所述潜在冲突集合内，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为任一所述航空器在任一所述潜在冲突集合内，将所述航空器加入所述冲突解脱组；
若所述第一判断结果为任一所述航空器不在任一所述潜在冲突集合内，则判断任一所述航空器是否在任一所述汇聚冲突集合内，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示为任一所述航空器不在任一所述汇聚冲突集合内，将所述航空器从所述冲突解脱组中删除。
可选的，所述按照解脱优先级从高到低的顺序，依次将所述冲突解脱组内的航空器输入到所述多机飞行冲突解脱模型中，确定冲突避让行为，具体包括：
获取障碍物优先级以及航空器优先级；
根据所述障碍物优先级生成障碍物集合；
将所述航空器优先级小于所述障碍物优先级的航空器视为移动障碍物，加入障碍物集合生成新的障碍物集合以及优先级组；
将所述新的障碍物集合以及所述优先级组同时输入所述多机冲突解脱模型中，确定冲突避让行为。
一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱系统，包括：
当前飞行参数以及相对位置关系获取模块，用于获取任意两个航空器之间的当前飞行参数以及相对位置关系；所述当前飞行参数包括速度、航向、高度；
冲突集合确定模块，用于根据所述当前飞行参数确定潜在冲突集合以及汇聚冲突集合；所述潜在冲突集合为在所述航空器的冲突探测区内存在航空器或障碍物的冲突集合，所述汇聚冲突集合为与所述航空器相互汇聚接近的航空器的冲突集合；
多机飞行冲突解脱模型建立模块，用于根据所述相对位置关系建立多机飞行冲突解脱模型；
当前飞行状态获取模块，用于获取多个航空器的当前飞行状态；所述当前飞行状态包括避让状态以及普通状态；所述避让状态为所述航空器正在调整速度、转变航向或移动位置的状态；所述普通状态为所述航空器以最优的速度、航向以及高度正在飞行的状态；
冲突解脱组确定模块，用于根据所述当前飞行状态、所述潜在冲突集合以及所述汇聚冲突集合确定冲突解脱组；
冲突避让行为确定模块，用于按照解脱优先级从高到低的顺序，依次将所述冲突解脱组内的航空器输入到所述多机飞行冲突解脱模型中，确定冲突避让行为；所述冲突避让行为包括调整至避让速度，改变至避让航向或移动至避让高度；所述解脱优先级是按照所述航空器在当前飞行冲突内从大到小解脱的次序进行排序的。
可选的，所述冲突集合确定模块具体包括：
相对位移以及相对速度计算单元，用于根据任意两个航空器的所述高度及所述速度计算所述任意两个航空器的相对位移以及相对速度；
潜在冲突集合确定单元，用于根据所述相对位移以及所述相对速度确定任意两个航空器之间存在潜在冲突并确定潜在冲突集合；
汇聚冲突集合确定单元，用于根据任意两个航空器的所述航向确定任意两个航空器之间存在汇聚冲突并确定汇聚冲突集合。
可选的，所述多机飞行冲突解脱模型建立模块具体包括：
冲突情况划分单元，用于根据确定相对位置关系划分冲突情况；所述冲突情况包括普通情况、特殊情况以及近距特殊情况；所述冲突情况由航空器i相对航空器j的运动航迹以及所述航空器j的保护区相切时的方向角确定；
多机飞行冲突解脱模型建立单元，用于根据不同的所述冲突情况建立不同的多机飞行冲突解脱模型。
可选的，所述冲突解脱组确定模块具体包括：
第一判断单元，用于判断任一所述航空器是否在任一所述潜在冲突集合内，得到第一判断结果；
冲突解脱组确定单元，用于若所述第一判断结果为任一所述航空器在任一所述潜在冲突集合内，将所述航空器加入所述冲突解脱组；
第二判断单元，用于若所述第一判断结果为任一所述航空器不在任一所述潜在冲突集合内，则判断任一所述航空器是否在任一所述汇聚冲突集合内，得到第二判断结果；
删除单元，用于若所述第二判断结果表示为任一所述航空器不在任一所述汇聚冲突集合内，将所述航空器从所述冲突解脱组中删除。
可选的，所述冲突避让行为确定模块具体包括：
优先级获取单元，用于获取障碍物优先级以及航空器优先级；
障碍物集合生成单元，用于根据所述障碍物优先级生成障碍物集合；
新的障碍物集合以及优先级组生成单元，用于将所述航空器优先级小于所述障碍物优先级的航空器视为移动障碍物，加入障碍物集合生成新的障碍物集合以及优先级组；
冲突避让行为确定单元，用于将所述新的障碍物集合以及所述优先级组同时输入所述多机冲突解脱模型中，确定冲突避让行为。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法及系统，根据航空器之间的当前飞行参数以及相对位置关系对航空器进行冲突探测，并建立多机飞行冲突解脱模型，根据该多机飞行冲突解脱模型，按照解脱优先级高的航空器优先确定解脱方案，从而实现在飞行员无法完全依靠自主行为完成安全、高效飞行的情况下，为飞行员提供冲突避让决策辅助，防止航空器与航空器之间或航空器与障碍物之间的冲突碰撞。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的多机冲突探测与解脱方法流程图；
图2为本发明所提供的航空器冲突探测区、保护区示意图；
图3为本发明所提供的冲突判别示意图；
图4为本发明所提供的普通情形冲突解脱几何构型示意图；
图5为本发明所提供的特殊情形冲突解脱几何构型示意图；
图6为本发明所提供的近距特殊情形冲突解脱几何构型示意图；
图7为本发明所提供的航向离散化示意图；
图8为本发明所提供的冲突探测与解脱总体步骤流程图；
图9为本发明所提供的多机冲突探测与解脱系统结构图。
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。
本发明的目的是提供一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法及系统，能够在飞行员无法完全依靠自主行为完成安全、高效飞行的情况下，为飞行员提供冲突避让决策辅助。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的多机冲突探测与解脱方法流程图，如图1所示，一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法，包括：
步骤101：获取任意两个航空器之间的当前飞行参数以及相对位置关系；所述当前飞行参数包括速度、航向、高度。
步骤102：根据所述当前飞行参数确定潜在冲突集合以及汇聚冲突集合；所述潜在冲突集合为在所述航空器的冲突探测区内存在航空器或障碍物的冲突集合，所述汇聚冲突集合为与所述航空器相互汇聚接近的航空器的冲突集合。
本发明提供了一种低空飞行冲突判别方法，根据两航空器的相对位置，判定两者是否存在飞行冲突，其中：
如图2所示，航空器能对与其距离Rf以内的其他目标进行冲突探测，即存在以航空器为中心，半径b的冲突探测区，同时航空器拥有半径为rf的保护区，各航空器应避免保护区相互重叠。
航空器冲突探测采用以下方式进行，令航空器f的当前状态为(xf,yf,υf,mf)，其中，xf和yf为航空器坐标，υf为速度，mf为航向，则两个航空器的当前状态分别为(xi,yi,υi,mi)和(xj,yj,υj,mj)，。如图3所示，根据两航空器的当前状态(xi,yi,υi,mi)和(xj,yj,υj,mj)计算两航空器的相对位移相对速度由此可得到相对位移与相对速度的夹角θ的余弦以及航空器i和j的最小相对距离若同时满足表明两航空器存在潜在冲突。
根据任意两个航空器的所述航向确定任意两个航空器之间存在汇聚冲突并确定汇聚冲突集合。
步骤103：根据所述相对位置关系建立多机飞行冲突解脱模型。
对于多架航空器以及障碍物间的飞行冲突，采用混合整数线性规划建立多机飞行冲突解脱模型。根据两冲突航空器的相对位置关系，如图4-6所示，划分出三种冲突情形：普通情形，tan(gij)＜tan(lij)；特殊情形，tan(gij)＞tan(lij)且tan(gij)·tan(lij)＜0；近距特殊情形，tan(gij)＞tan(lij)且tan(gij)·tan(lij)＞0，其中lij和gij分别为航空器i相对j运动航迹与航空器j保护区相切时的方向角。
做出如下定义：为航空器f的加/减速调整量，mf为航空器f当前航向为航空器f右/左转航向调整量；可选航向集合K＝Kr∪Kl∪K0，其中mf...∈K0，如图7所示；航向选择0-1变量表示航空器的航向为可选高度层集合Z，引入高度层选择0-1变量φfz，z∈Z，φfz＝1表示航空器f所在高度层为z。zf表示航空器所在的初始高度层；Mn为足够大的正数。
1)对于普通情形，混合整数线性规划模型限制如下：
对任意航空器对{i,j}∈P，高度层z∈Z：
对任意航空器f∈F，移动障碍物a∈A，高度层z∈Z：
对任意航空器f∈F，固定障碍物t∈T，高度层z∈Z：
对任意航空器f∈F，高度层z∈Z：
其中：
lij＝ωij+αij
gij＝ωij-αij
αij＝arcsin((ri+rj/2)/(dij/2))
ωij＝arctan((yi-yj)/(xi-xj))
为不等式选择参量，为限制简化参数，表示如下：
2)对于特殊情形，需在对任意航空器对{i,j}∈P，高度层z∈Z的限制中加入以下限制：
3)对于近距特殊情形，需将对任意航空器对{i,j}∈P，高度层z∈Z的限制替换如下：
混合整数线性规划模型目标函数为调速、调航向、调高度权重加成之和最小：
其中为加/减速量权重，为右/左转量权重，为高度层改变量权重。
基于以上多机飞行冲突解脱模型，将冲突空域内多机、各障碍物的相关参数代入模型进行线性规划求解，即可得到各航空器的冲突解脱状态参数。
步骤104：获取多个航空器的当前飞行状态；所述当前飞行状态包括避让状态以及普通状态；所述避让状态为所述航空器正在调整速度、转变航向或移动位置的状态；所述普通状态为所述航空器以最优的速度、航向以及高度正在飞行的状态。
步骤105：根据所述当前飞行状态、所述潜在冲突集合以及所述汇聚冲突集合确定冲突解脱组。
步骤106：按照解脱优先级从高到低的顺序，依次将所述冲突解脱组内的航空器输入到所述多机飞行冲突解脱模型中，确定冲突避让行为；所述冲突避让行为包括调整至避让速度，改变至避让航向或移动至避让高度；所述解脱优先级是按照所述航空器在当前飞行冲突内从大到小解脱的次序进行排序的。
将航空器f状态Stf分为两类，避让状态Avoid(正在进行调速/转向/调高)和普通状态Normal(以最优的速度、航向、高度参数飞行)。定义组合对(i,k)，i为任意航空器，k为任意航空器或障碍物；潜在冲突集合表示与航空器f探测存在冲突的个体集合；汇聚冲突集合表示与航空器f相互汇聚接近的个体集合。结合图8描述本发明的具体实施方案，主要包括如下步骤：
步骤1：收集航空器、障碍物信息。提取空域内各航空器及障碍物的飞行信息，包括状态、水平位置、高度、速度、航向。
步骤2：飞行冲突探测。各航空器之间、航空器与障碍物之间进行冲突判别，流程如下：
Step2.1：依次序遍历组合对(i,k)，若遍历结束，则转到Step3.1；
Step2.2：判断航空器i是否处在Avoid状态，若否，则转到Step2.4；
Step2.3：航空器i对k进行汇聚冲突探测，若存在航向汇聚冲突，则将k加入i的汇聚冲突集合
Step2.4：航空器i对k进行潜在冲突探测，若存在潜在冲突，则将k加入i的潜在冲突集合返回Step2.1。
步骤3：冲突解脱组建立。完成冲突探测后，利用各航空器的潜在冲突集合关系，将相互间存在潜在冲突的航空器加入同一冲突解脱组，进而建立多个独立的冲突解脱组g，g∈G。根据汇聚冲突集合是否为空，则可判断航空器是否能进行状态恢复。定义g|f∈g为航空器f所属冲突解脱组。冲突解脱组建立流程具体如下：
Step:3.1：依次序遍历航空器f∈F，若遍历结束，则转到Step4.1；
Step3.2：若f潜在冲突集合是为空，则转到Step3.5；
Step3.3：若f尚未从属于任何冲突解脱组，则新建冲突解脱组g|f∈g；
Step3.4：将潜在冲突集合中的所有个体，以及这些航空器可能所属的冲突解脱组中的个体加入冲突解脱组g|f∈g中。返回Step3.1；
Step3.5：若汇聚冲突集合为空，则将f从所属冲突解脱组中删除，状态恢复至Normal。返回Step3.1。
步骤4：飞行冲突解脱计算。在冲突解脱中，本文加入了优先级这一概念，优先级高的航空器优先计算解脱方案，优先级低的航空器将已解脱的航空器视为移动障碍物限制。定义障碍物集合O，障碍物优先级so＝0；航空器f优先级sf＝1,...,smax，s越小表明航空器优先级越高。
冲突解脱流程具体如下：
Step4.1：次序遍历g∈G，若遍历结束，则优先级冲突解脱流程结束；
Step4.2：令s＝0，生成障碍物集合O；
Step4.3：s＝s+1，若s＞smax，即已遍历所有优先级数，则返回Step4.1；
Step4.4：将sf＜s的航空器f视为移动障碍物加入障碍物集合O，生成优先级组g|sf＝s，将O和g|sf＝s同时代入多机冲突解脱模型求解。返回Step4.3。
步骤5：将飞行冲突解脱计算的结果发送至各航空器，航空器根据接受的冲突解脱信息实时冲突避让行为。
采用本发明所提供的复杂低空飞行多机冲突探测与解脱方法，在飞行员无法完全依靠自主行为完成安全、高效飞行的情况下，航空器也能够自动完成冲突避让行为。
图9为本发明所提供的多机冲突探测与解脱系统结构图，如图9所示，一种复杂低空飞行多机冲突探测与解脱系统，包括：
当前飞行参数以及相对位置关系获取模块901，用于获取任意两个航空器之间的当前飞行参数以及相对位置关系；所述当前飞行参数包括速度、航向、高度。
冲突集合确定模块902，用于根据所述当前飞行参数确定潜在冲突集合以及汇聚冲突集合；所述潜在冲突集合为在所述航空器的冲突探测区内存在航空器或障碍物的冲突集合，所述汇聚冲突集合为与所述航空器相互汇聚接近的航空器的冲突集合。
所述冲突集合确定模块902具体包括：相对位移以及相对速度计算单元，用于根据任意两个航空器的所述高度及所述速度计算所述任意两个航空器的相对位移以及相对速度；潜在冲突集合确定单元，用于根据所述相对位移以及所述相对速度确定任意两个航空器之间存在潜在冲突并确定潜在冲突集合；汇聚冲突集合确定单元，用于根据任意两个航空器的所述航向确定任意两个航空器之间存在汇聚冲突并确定汇聚冲突集合。
多机飞行冲突解脱模型建立模块903，用于根据所述相对位置关系建立多机飞行冲突解脱模型。
当前飞行状态获取模块904，用于获取多个航空器的当前飞行状态；所述当前飞行状态包括避让状态以及普通状态；所述避让状态为所述航空器正在调整速度、转变航向或移动高度的状态；所述普通状态为所述航空器以最优的速度、航向以及高度正在飞行的状态。
所述多机飞行冲突解脱模型建立模块904具体包括：冲突情况划分单元，用于根据确定相对位置关系划分冲突情况；所述冲突情况包括普通情况、特殊情况以及近距特殊情况；所述冲突情况由航空器i相对航空器j的运动航迹以及所述航空器j的保护区相切时的方向角确定；多机飞行冲突解脱模型建立单元，用于根据不同的所述冲突情况建立不同的多机飞行冲突解脱模型。
冲突解脱组确定模块905，用于根据所述当前飞行状态、所述潜在冲突集合以及所述汇聚冲突集合确定冲突解脱组。
所述冲突解脱组确定模块905具体包括：第一判断单元，用于判断任一所述航空器是否在任一所述潜在冲突集合内，得到第一判断结果；冲突解脱组确定单元，用于若所述第一判断结果为任一所述航空器在任一所述潜在冲突集合内，将所述航空器加入所述冲突解脱组；第二判断单元，用于若所述第一判断结果为任一所述航空器不在任一所述潜在冲突集合内，则判断任一所述航空器是否在任一所述汇聚冲突集合内，得到第二判断结果；删除单元，用于若所述第二判断结果表示为任一所述航空器不在任一所述汇聚冲突集合内，将所述航空器从所述冲突解脱组中删除。
冲突避让行为确定模块906，用于按照解脱优先级从高到低的顺序，依次将所述冲突解脱组内的航空器输入到所述多机飞行冲突解脱模型中，确定冲突避让行为；所述冲突避让行为包括调整至避让速度，改变至避让航向或移动至避让高度；所述解脱优先级是按照所述航空器在当前飞行冲突内从大到小解脱的次序进行排序的。
所述冲突避让行为确定模块906具体包括：优先级获取单元，用于获取障碍物优先级以及航空器优先级；障碍物集合生成单元，用于根据所述障碍物优先级生成障碍物集合；新的障碍物集合以及优先级组生成单元，用于将所述航空器优先级小于所述障碍物优先级的航空器视为移动障碍物，加入障碍物集合生成新的障碍物集合以及优先级组；冲突避让行为确定单元，用于将所述新的障碍物集合以及所述优先级组同时输入所述多机冲突解脱模型中，确定冲突避让行为。
综上，本发明分为两个阶段实现航空机之间的冲突避让：
冲突探测阶段：航空器通过机载设备获取环境信息和周围其他航空器的位置状态信息，采用基于最小相对距离的冲突判别方式进行冲突探测。
冲突解脱阶段：根据冲突探测结果，采用集中式全局多机冲突解脱方案，运用混合整数线性规划进行冲突解脱计算，将冲突解脱计算结果发送给各个冲突航空器，航空器进行对应的调速、调航向或调高度行为。
本发明提供了一种复杂低空多机飞行冲突探测与解脱方法及系统。通过判断两航空器之间或航空器与障碍物之间是否存在潜在飞行冲突，采用混合整数线性规划建立多机飞行冲突解脱模型，并将航空器及障碍物的状态参数代入模型，求解出冲突解脱的需调整的状态参数，包括调速、调航向和调高度；从而实现多航空器之间，航空器与障碍物之间的飞行冲突解脱，为低空航空器机载设备提供飞行冲突解脱技术支持。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。