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基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型

王莉莉 阳杰

王莉莉, 阳杰. 基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(4): 64-70. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007
引用本文: 王莉莉, 阳杰. 基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(4): 64-70. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007
WANG Lili, YANG Jie. A Collision Risk Model for Small UAVs Based on Velocity Random Distribution in Low-altitude Airspace[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(4): 64-70. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007
Citation: WANG Lili, YANG Jie. A Collision Risk Model for Small UAVs Based on Velocity Random Distribution in Low-altitude Airspace[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(4): 64-70. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007

基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.04.007
基金项目: 

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目 U1633124

详细信息
    通讯作者:

    王莉莉(1973—),博士,教授. 研究方向:空中交通流量管理、航空器运行安全评估. E-mail: llwang317@163.com

  • 中图分类号: X949; V279

A Collision Risk Model for Small UAVs Based on Velocity Random Distribution in Low-altitude Airspace

  • 摘要: 碰撞风险是评价航空器运行安全性、确定航空器运行条件的关键指标。针对低空空域小型无人机数量增多导致空域安全隐患增加的问题,提出了1种基于速度随机分布的碰撞风险评估模型,确定了无人机在空域中的安全运行的条件。根据低空空域小型无人机操纵性灵活的特点,提出了针对低空空域小型无人机不同飞行动作的碰撞模板:为自由飞行的无人机设置符合实际运行的含碰撞层和避险层的双层球体碰撞模板;为沿固定路径飞行的无人机设置以机身尺寸为参考的长方体碰撞模板。考虑无人机飞行方向和速度变化快的特点,将传统无人机速度的线性分布模型改进为随机分布模型,计算无人机的相对运动关系,再利用速度矢量法计算碰撞模板扫过的空间体积。引入无人机动态定位误差、速度误差,在传统人机可靠性的基础上,建立基于速度随机分布的低空空域小型无人机碰撞风险评估模型。选取大疆M300和M600这2种型号的无人机作为验证机型,运用Matlab软件模拟特定空域场景,并分析碰撞风险与小型无人机密度的关系。通过仿真可以发现:空域内碰撞风险与无人机密度呈正相关关系;根据国际民用航空组织空域安全标准,2种验证机型安全运行的最大密度分别为4.2架/km3和5.0架/km3;在满足安全运行条件的前提下,采用新的碰撞风险评估模型,空域容纳2种无人机的数量的密度上限可分别提高106.9%和88.7%。实验结果表明,新的碰撞风险模型更加符合小型无人机运行特征,未来可以用于提升空域内无人机容量、提升空域利用率和无人机运行效率。

     

  • 图  1  碰撞模板

    Figure  1.  Collision template

    图  2  碰撞过程示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of collision process

    图  3  碰撞风险与无人机密度的关系

    Figure  3.  Relationship between collision risk and UAV density

    表  1  M600无人机相关参数

    Table  1.   Related parameters of UAV M600

    参数 取值 参数 取值 参数 取值
    Vmax/(m/s) 18 μv 0 λx/m 1.668
    Vmin/(m/s) 3 σg2 6.6 λy/m 1.518
    μg 0 σv2 0.072 3 λz/m 0.759
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    表  2  M300无人机相关参数

    Table  2.   Related parameters of UAV M300

    参数 取值 参数 取值 参数 取值
    Vmax/(m/s) 23 μv 0 λx/m 0.81
    Vmin/(m/s) 5 σg2 6.6 λy/m 0.67
    μg 0 σv2 0.057 5 λz/m 0.43
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    表  3  模型计算相关参数

    Table  3.   Parameters related to model calculations

    参数 取值
    k1 0.900 00
    k2 0.000 85
    k3 0.903 80
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    表  4  结果对比分析

    Table  4.   Comparative analysis of results

    模型 碰撞模板 无人机速度分布 机型 碰撞风险与无人机密度关系 最大安全密度/(架/km3)
    有人机模型 长方体 线性分布 M600 线性 2.03
    M300 线性 2.65
    改进无人机模型 长方体+双层球体 随机分布 M600 非线性 4.2
    M300 非线性 5.0
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  • 收稿日期:  2022-01-04
  • 网络出版日期:  2022-09-17

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