[发明专利]一种基于有限维分布的碰撞概率实时评估方法

说明书

本发明涉及一种基于有限维分布的碰撞概率实时评估方法，包括如下步骤：步骤1：建立待评估系统控制模型以及碰撞模型。步骤2：根据待预测时间区间，生成等时间间隔取样点；步骤3：重复进行轮盘赌，生成依概率等距离分布的取样点；步骤4：基于待评估系统的控制模型，求解质心位置的有限维分布；步骤5：对质心位置有限维分布的协方差矩阵进行Cholesky分解，得到其具体生成方式。步骤6：预测障碍物刚体位置并求解经过滤的有限维分布；步骤7：重构系数矩阵得到经过滤的有限维分布的具体生成方式；步骤8：对步骤7得到的有限维分布进行若干次独立生成，以离散点的碰撞频率估计真实概率。之后的下一个评估决策时刻，算法返回步骤6继续进行计算。

技术领域

本发明涉及一种基于有限维分布的碰撞概率实时评估方法，该发明属于安全评估领域。

背景技术

随着微小型无人飞行器的发展，低空域中的无人飞行器安全评估越来越重要，而多旋翼则是近些年来微小型无人机的一个典型代表。关于多旋翼空中安全性能的担忧，已经成为多旋翼在人口密集区域各种应用进一步发展的一个瓶颈。而关于多旋翼安全性能的诸多担忧之中，其可能的空中碰撞问题，包括多旋翼与高楼大树等静止障碍物碰撞，以及与空域中其他无人飞行器等运动物体的碰撞，显然占据了重要地位。因此多旋翼的防碰撞问题尤为重要。目前航空领域应用几何计算法、最优路径法、人工势场法等对多旋翼进行路径规划，为多旋翼进行路径规划以避开障碍物，可是在实际飞行中，建模误差、估计误差以及外界扰动等不确定性可能使多旋翼的实际轨迹偏离预定轨迹，撞上障碍物。因此，多旋翼在有不确定性情况下的空中碰撞概率评估具有重要研究价值。

本文以多旋翼为例引出碰撞概率评估，而实际上，碰撞问题以及随之而来的不确定情况下的碰撞概率评估，广泛存在于在无人控制系统中，如无人车、无人船等，而不仅仅局限于多旋翼和无人机。对各种民用无人系统而言，安全性能无疑是其发展壮大的一个硬性条件，尤其是在人口密集区域，这种刚性需求体现得更加强烈。安全评估，以及作为其重要组成部分的碰撞概率评估的重要意义不言而喻。

碰撞概率评估的一种自然的方法是应用蒙特卡罗方法进行多次独立计算，以碰撞频率估计碰撞概率。蒙特卡罗方法思想简单，评估准确，但是计算量太大，难以满足实时性能。

本发明提出了一种基于有限维分布的碰撞概率实时评估方法，以多旋翼的空中碰撞为例，实现碰撞概率的在线评估，评估得到的碰撞概率可以进一步应用于无人系统的安全决策等。

发明内容

本发明给出了一种基于有限维分布的碰撞概率实时评估方法。该方法是对单纯蒙特卡罗方法的改进。首先将待评估系统的动力学模型进行预处理，得到该系统状态的有限维分布，并基于该有限维分布进行独立蒙特卡罗仿真，以碰撞频率近似碰撞概率实时估计待评估系统的碰撞概率。

本发明提出了一种基于有限维分布的碰撞概率实时评估方法，具体步骤如下：

步骤1：建立待评估系统控制模型以及碰撞模型

首先为待评估系统M设计控制器，建立含不确定性的模型

其中x(t)为待评估系统M在t时刻的状态向量，d为微分符号，B(t)为建模为标准布朗运动的噪声，为经反馈的系统状态矩阵，c为经反馈的常向量，Σ为表征噪声统计特性的矩阵。这里，状态向量x(t)至少包括待评估系统M在t时刻的质心位置p(t)以及质心速度v(t)，即存在状态向量x(t)到质心位置p(t)以及质心速度v(t)的线性映射

其中T_p,T_v为对应的线性变换矩阵。此外，初始状态x(0)

服从期望μ₀和方差Σ₀的正态分布且与噪声B(t)独立。