校園快遞運行場景下的無人機運行風險評估平臺設(shè)計及開發(fā)

王鴻億 李廣濤 楊冰潔 王健呈 許致禎 劉詩瑒

（中國民航大學，天津300300）

1 研究背景

近年來，無人機起降架次和飛行小時數(shù)增勢迅猛。與此同時，由無人機飛行風險引起的安全事故也逐漸增多，為消除大眾對無人機運行的顧慮，需要開展完善的無人機運行風險評估研究，并以可視化界面進行展示，合理規(guī)劃無人機航路。目前對無人機航路規(guī)劃的研究也比較豐富。廖小罕[1]、張學軍[2]等基于智能仿生和粒子群算法展開無人機路徑規(guī)劃研究；劉淑芬等分別基于Voronoi 圖和Laguerre 圖等圖形算法研究航路規(guī)劃。通過分析現(xiàn)有文獻[3-5]發(fā)現(xiàn)，當前研究多集中在對航路的距離成本代價及平滑度的優(yōu)化，考慮航路飛行安全代價的研究較少。但由于航路對飛行安全的重要作用，在航路規(guī)劃中應(yīng)考慮其安全風險。

2 設(shè)計思路

本文研究一種基于飛行空域安全代價評估的無人機航路規(guī)劃模型及其算法。首先，將無人機飛行空域柵格化，分析影響無人機運行安全的飛行環(huán)境因素，考慮地面人口密度和遮蔽物保護能力，建立無人機飛行安全代價量化評估模型，以每飛行小時地面人員傷亡率為量化指標定義柵格安全因子；其次，綜合考慮安全與距離成本雙重約束，對蟻群算法進行改進，基于柵格安全因子修正期望函數(shù)，研究無人機安全航路規(guī)劃算法，并通過校園無人機運行場景對模型的有效性進行驗證。

3 設(shè)計原理

3.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與移動通信的應(yīng)用

在通過北斗系統(tǒng)對無人機進行系統(tǒng)定位的過程中，首先需要進行數(shù)據(jù)采集，通過北斗定位通信模塊實時獲得無人機的速度、位置、時間等基本信息作為原始數(shù)據(jù)（例如北斗星通公司生產(chǎn)BDM910 模塊等可進行實時高精度定位、測速及通訊服務(wù)的成熟終端模塊），將原始數(shù)據(jù)參數(shù)通過接口傳遞給數(shù)據(jù)運行單元，定位模塊同時與處理模塊進行通信，數(shù)據(jù)運行單元按照特定的協(xié)議轉(zhuǎn)化將申請指令發(fā)送給中心運行單元。操作系統(tǒng)連續(xù)實時接收北斗衛(wèi)星所發(fā)送的信息，北斗衛(wèi)星自主地利用空間定位，允許小巧的電子接收器確定它所在的位置。

無人機上部署無線自組織網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建天地體無人機載通信系統(tǒng)可以有效結(jié)合兩種方法的優(yōu)點，無人機具有定位和通信能力，提高通信效率。無人機上同時具有無限自組織通信單元和天通衛(wèi)星通信單元。天通衛(wèi)星通信單元通過自組織單元與地面節(jié)點（如設(shè)備設(shè)施或平臺）建立通信鏈，包括上傳鏈條與下傳鏈條。用戶通過上傳鏈條輸入無人機移動控制指令，實現(xiàn)無人機的遠程控制。無人機可以將位置信息通過下傳鏈路傳輸給地面平臺，方便用戶進行定位。

3.2 航路安全代價評估模型

本文在建立無人機安全代價評估模型時，從無人機系統(tǒng)和飛行空域地面環(huán)境兩個方面考慮，以每小時人員傷亡數(shù)量為指標。飛行空域下方的地面環(huán)境與安全性相關(guān)的因素主要有二，其一為地面人口密度，其二為地面遮蔽物在安全事故發(fā)生時對人員提供的保護能力。

3.2.1 飛行空域柵格劃分

式中：s 為柵格j 的安全因子，即每飛行小時無人機安全事故傷亡人員數(shù)量；Pfgs為受事故影響人員的傷亡率；PUAV為每飛行小時由無人機系統(tǒng)失效引起的墜毀事故概率；Ag為事故影響區(qū)域面積；ρ （j）為柵格j 的人口密度。

3.3 航路總成本代價函數(shù)

航路規(guī)劃的距離代價函數(shù)取其飛行路徑的長短作為評價指標，即在避開障礙物的前提下選擇從起點到終點的最短路徑。同時保證航路的安全。因此，構(gòu)建安全代價和距離代價雙重約束條件下的航路總成本代價函數(shù)。如式（5）所示。

式中，djD為從點j 到終點的距離；sj為j 的柵格安全因子；λ為距離啟發(fā)因子，表征距離重要程度的系數(shù)；μ 為安全啟發(fā)因子，表征安全重要程度的系數(shù)。

3.4 航路規(guī)劃算法

本文選取改進蟻群算法對無人機飛行航路進行規(guī)劃，蟻群分別從起點柵格出發(fā)，搜索其無障礙鄰域柵格，并根據(jù)考慮航路安全代價與航路距離代價的期望函數(shù)計算各鄰域柵格的選擇概率，再通過輪盤賭法確定下一柵格，直至該螞蟻到達終點或陷入局部最優(yōu)解?？蛇x鄰接柵格概率計算及信息素更新，在每一代的所有螞蟻完成爬行后對信息素濃度進行更新。在經(jīng)歷k 代蟻群的迭代后，最終得到航路安全與航路成本雙重優(yōu)化后的期望飛行路徑。

4 平臺設(shè)計詳情

4.1 飛行區(qū)域柵格化及地面環(huán)境建模

本文選取中國民航大學校園為無人機飛行區(qū)域，并根據(jù)實際測繪數(shù)據(jù)繪制區(qū)域地表覆蓋物分布，如圖1 所示。

圖1 飛行區(qū)域地表覆蓋物分布圖

圖中黑色實心填充為地表建筑物，包括圖書館、宿舍、教學樓、食堂和體育館；空心區(qū)域為地表空曠地帶，包括校園內(nèi)的道路和廣場；十字填充區(qū)域為樹木，填充密度代表樹木稀疏程度；長短交替虛線填充為湖泊。在校園中選取三個配送終點，分別記為SP1、SP2 和SP3，配送起點記為EP。分別規(guī)劃有無航路安全代價約束的無人機飛行航路，并對比無人機飛行距離、飛行時間、航路途徑柵格安全因子平均值和航路傷亡人員數(shù)量。

4.2 柵格安全因子

根據(jù)柵格安全因子計算公式，將地面柵格遮蔽物保護系數(shù)和人口密度帶入，計算各柵格安全因子如圖2 所示，并作為航路規(guī)劃中安全代價的依據(jù)。

圖2 柵格安全因子灰度圖

5 結(jié)論

對無人機進行進行風險評估時，用等效安全水平替代，建立相應(yīng)模型，然后對模型進行分析，在場景下統(tǒng)計需要的數(shù)據(jù)，利用模型進行運算，而后利用得到的數(shù)據(jù)開發(fā)平臺，通過平臺直觀地看出每個柵格安全水平的高低。其次，綜合考慮無人機飛行航路的安全與距離成本雙重約束，對蟻群算法進行改進，基于柵格安全因子修正期望函數(shù)，研究無人機安全航路規(guī)劃算法，并通過校園無人機運行場景對模型的有效性進行驗證?？紤]安全因素的航路規(guī)劃模型在航路距離代價增加較小的前提下，使航路整體安全性得到了較大程度提升。