基于分段擬合算法的民用航空機(jī)載防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張遠(yuǎn)洋,張躍進(jìn)

(1.成都信息工程大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,四川 成都 610225;2.華東交通大學(xué) 信息工程學(xué)院,江西 南昌 330013)

0 引 言

在國際貿(mào)易和旅游產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，全球民用航空業(yè)發(fā)展迅速,航空出行已經(jīng)成為商務(wù)人士和部分旅游愛好者出行的首選方式。由于市場需求大,我國民用航空的發(fā)展速度遠(yuǎn)高于世界平均水平,航空產(chǎn)業(yè)所創(chuàng)造的產(chǎn)值僅次于美國,位列世界第二。由于航空客流量的持續(xù)增加,航線與航班的密集程度越來越高,這給民用航班的調(diào)度工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。民用航空器的安全飛行與近距離防撞問題成為空管部門需要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一[1-2]。

為保證航線密集情況下航班的安全飛行,國際航聯(lián)組織建立了一套多國共享的國際航空交通運(yùn)行管理系統(tǒng),依靠空間通信衛(wèi)星、雷達(dá)和地面接收站指揮中心形成了一個(gè)立體化的空間通信網(wǎng)絡(luò),用于指揮和控制航班的班次與空間距離[3-4]。由地面指揮中心控制的機(jī)載防撞系統(tǒng)能夠從總體上控制飛機(jī)之間的安全飛行距離,并通過雷達(dá)信號與每一臺民航飛機(jī)取得聯(lián)系,從整體上保證民用航空器的安全飛行。從目前全球兩百多家航空公司的飛行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,空間防撞系統(tǒng)的投入使用使全球范圍內(nèi)民航飛行的事故率和故障率分別降低了85.36%和41.20%[5]。除了配備地面的安全控制系統(tǒng)之外,還應(yīng)該在每一臺民用航空器上安裝機(jī)載防撞安全系統(tǒng),以保證在雨雪等惡劣環(huán)境干擾下民用航空器飛行的安全[6]。

通常既定的民航航線具有一定的空間經(jīng)度和維度浮動(dòng)范圍,民用航空器短距離空間飛行軌跡的控制也與飛行的安全緊密相關(guān)。因此,設(shè)計(jì)有效的民用航空機(jī)載防撞預(yù)警系統(tǒng)的重要性不言而喻。目前在民用航空機(jī)載防撞預(yù)警方面已有一些專家學(xué)者給出了較好的研究。崔麗群等[7]提出一種基于魚群算法的防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用魚群算法在飛機(jī)周圍的水平和垂直方向上分別確定相應(yīng)的避撞區(qū)域和保護(hù)區(qū)域,并確定預(yù)警的時(shí)間和空間門限,實(shí)現(xiàn)了告警和避撞的功能，該系統(tǒng)能夠控制多架飛行器的空間沖突,但存在運(yùn)算量大和代價(jià)過高的問題;韓艷茹等[8]提出一種基于改進(jìn)PSO算法的空中交通預(yù)警與防撞系統(tǒng)，對相同高度的交叉沖突場景飛行器進(jìn)行研究,確定兩架飛機(jī)間的距離與安全間隔的關(guān)系,采用改進(jìn)PSO算法建立沖突解脫策略的調(diào)配模型,規(guī)避飛行沖突，但基于PSO優(yōu)化技術(shù)的防撞預(yù)警系統(tǒng)的延誤路徑過長,不能夠有效控制飛行器的碰撞風(fēng)險(xiǎn),實(shí)時(shí)性差；盧允娥等[9]提出一種基于 ADS-B技術(shù)的機(jī)載綜合防撞系統(tǒng),提出調(diào)速與調(diào)向的相對運(yùn)動(dòng)解脫算法,但是該算法僅適用于交叉沖突的一種情況,不適用于多種沖突場景。

針對現(xiàn)有方法中存在的最優(yōu)飛行路徑選擇能力差、代價(jià)高、實(shí)時(shí)性差的問題,本文設(shè)計(jì)一種基于分段擬合算法的民用航空器機(jī)載防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用分段擬合算法在局部控制和最優(yōu)躲避路徑選擇上的優(yōu)勢,提高飛行器碰撞規(guī)避的成功率。利用MCU主控芯片、超聲波雷達(dá)模塊、碰撞報(bào)警模塊等硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)建防撞預(yù)警系統(tǒng),并對民用航空器飛行過程中的軌跡變化做出預(yù)測和分析;設(shè)計(jì)機(jī)載防撞系統(tǒng)工作流程,利用分段擬合算法求解出每一段飛行距離的控制函數(shù),并將其匯總擬合為趨近于最優(yōu)航線的最小平方函數(shù),實(shí)現(xiàn)民航飛行的安全控制。

1 防撞系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)載防撞系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)需考慮到多種復(fù)雜的高空應(yīng)用場景,并選擇和應(yīng)用識別率更高的超聲波雷達(dá)來測試民航飛機(jī)的飛行速度與設(shè)備之間的準(zhǔn)確距離[10-11]。超聲波雷達(dá)模塊在硬件系統(tǒng)的成本控制、可靠性和穩(wěn)定性方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的毫米級雷達(dá)測距系統(tǒng),有助于提高距離傳感器的距離測試精度和靈敏度[12]。此外,本文設(shè)計(jì)的民用航空機(jī)載防撞系統(tǒng)的超聲波雷達(dá)模塊還在距離測試算法上進(jìn)行了優(yōu)化和更新,采用了分段擬合技術(shù)降低防撞預(yù)警系統(tǒng)的算法代價(jià),縮短延誤距離,并提高障礙物識別的準(zhǔn)確率。民用航空機(jī)載防撞系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖 1民用航空機(jī)載防撞預(yù)警系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of civil aviation airborne anti-collision warning system

超聲波雷達(dá)模塊采用仿生學(xué)的原理,持續(xù)不斷地向前端和左右兩端發(fā)出和接收信號,該模塊還內(nèi)置了信號調(diào)制電路與信號放大電路,實(shí)現(xiàn)對信號功能的放大和濾波。超聲波雷達(dá)采集到的距離、角度相對位移等信息都傳輸?shù)椒雷差A(yù)警系統(tǒng)MCU主控芯片。為滿足防控系統(tǒng)在性能上的總體要求,選擇功能更為強(qiáng)大、功耗更低的STM32F258I80型芯片。STM32F258I80型MCU主動(dòng)芯片是航空機(jī)載防撞預(yù)警系統(tǒng)的核心模塊,芯片的最高信號采樣率能夠達(dá)到2.8 MHz,無需外接任何設(shè)備。芯片的引腳數(shù)量為136個(gè),最高控制主頻能夠達(dá)到160 MHz,自帶NPU單元和DSP指令控制集合,能夠滿足中、低、高等多種頻段的要求。MCU主控芯片通過ADC裝置與信號調(diào)制電路及超聲波雷達(dá)模塊連接,實(shí)時(shí)地處理外部傳遞進(jìn)系統(tǒng)的信號。如果發(fā)現(xiàn)在有效可控的半徑范圍內(nèi)存在障礙物,超聲波報(bào)警模塊就會(huì)提升機(jī)組人員做好應(yīng)急預(yù)案。系統(tǒng)程序運(yùn)行模塊負(fù)責(zé)MUC主控芯片及其他模塊的程序調(diào)動(dòng)和修正,數(shù)據(jù)存儲模塊主要負(fù)責(zé)對采集到的全部空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,以便后續(xù)工作中隨時(shí)調(diào)用[13-15]。

本文設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)模塊使用小型多波段雷達(dá)傳感器,模塊中內(nèi)置的超聲波震蕩裝置能夠調(diào)制和過濾多種信號波形,并將回?fù)苄盘栒{(diào)制成MCU主控芯片能夠識別的連續(xù)波形。首先作為被調(diào)節(jié)的回波信號與本振信號混合后,信號的相位值偏差被控制在90°以內(nèi),信號輸出的阻抗值低于40 Ω。其次在信號發(fā)出時(shí)原始信號被一分為二,這樣發(fā)出的超聲波頻率會(huì)更加穩(wěn)定,信號碰到障礙物后95%以上載有空間位置信息和角度信息的有效回波信號,能夠被超聲波雷達(dá)模塊接收并傳遞到系統(tǒng)的主控芯片。模塊配備了多種功能豐富的引腳類型,因此能夠在高噪聲環(huán)境下也能夠保持信號發(fā)射與接收的穩(wěn)定性[16]。

由于超聲波雷達(dá)模塊輸出的波形為未被調(diào)制的正弦波,很容易被湮沒在高空的噪聲之內(nèi),因此在模塊的前端安裝了濾波裝置,需要將標(biāo)準(zhǔn)的正弦波調(diào)制成為三角波型,以增強(qiáng)對回波信號的識別功能,信號的放大裝置也只有在濾波之后才能發(fā)揮出信號增益的作用,否則系統(tǒng)噪聲和環(huán)境噪聲也會(huì)被無限的放大[17]。信號從射頻前端發(fā)出后壓控振蕩器在調(diào)制波形的同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)信號的增益濾波,在濾波器的選擇方面采用了更為有效的有源濾波器,不僅能夠節(jié)省系統(tǒng)的能耗而且負(fù)載的負(fù)面效應(yīng)也不明顯,實(shí)現(xiàn)對三角波信號的高階濾波。此外有源濾波器與傳統(tǒng)的無源濾波器相比重量更輕、體積更小、成本可控,更有助于提高對民用航空器載預(yù)警防撞系統(tǒng)的綜合管理和控制[18]。

此外,本文設(shè)計(jì)的民用航空機(jī)載防撞系統(tǒng)的超聲波雷達(dá)模塊還采用了濾波降噪的方法,將更強(qiáng)的三角波型作為系統(tǒng)調(diào)制信號輸入端,因此信號的頻率值控制方面始終超過最低的120 Hz,這樣可以保證防撞系統(tǒng)回波信號識別的穩(wěn)定性。超聲波雷達(dá)模塊在載有有效回波信號的處理中由于采用了分段擬合的算法,故在信號的增益控制上更容易,并促使整個(gè)信號的識別與分析系統(tǒng)形成一種自動(dòng)反饋的機(jī)制,確保回波信號在輸入、輸出端的穩(wěn)定性都能夠加強(qiáng),這樣也可以確保有用的空間距離、角度信號不被湮沒在環(huán)境噪聲當(dāng)中。由于STM32F258I80型芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲空間有限,采用了FMC的方式外接拓展系統(tǒng)的內(nèi)存,在存儲器規(guī)格的選擇上采用了SDR系列的擴(kuò)展內(nèi)存,可以提供更寬的碼間地址拓展芯片的數(shù)據(jù)容量。程序運(yùn)行模塊中存儲著系統(tǒng)的主控程序、MCU主控單元中的全部運(yùn)行程序及其他模塊的應(yīng)用程序,供系統(tǒng)隨時(shí)地調(diào)用。一旦通過對超聲回波的分析識別到前方危險(xiǎn)區(qū)域有障礙物時(shí),預(yù)警模塊就會(huì)發(fā)出報(bào)警,提醒機(jī)載人員采用主動(dòng)防控措施,有效規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)的存在。

2 防撞系統(tǒng)軟件

民用航空機(jī)載防撞系統(tǒng)的軟件主控程序采用了ARM公司的通用軟件設(shè)計(jì),界面友好、操作簡單，同時(shí)還具有良好的系統(tǒng)兼容性。超聲波雷達(dá)模塊通過對回波信息的分析,以判斷飛機(jī)是否處于安全的飛行區(qū)域之內(nèi),如果檢測出在飛行角度和飛行距離方面存在安全隱患,報(bào)警模塊就會(huì)發(fā)出警告以提示飛機(jī)駕駛員和機(jī)組人員采取應(yīng)急措施。防撞預(yù)警模塊主控程序應(yīng)具備以下的基本功能,超聲波雷達(dá)模塊實(shí)時(shí)獲取前方或側(cè)方的障礙物信息,MCU芯片識別回波信號有效載入信息判斷飛機(jī)當(dāng)前的飛行狀態(tài)是否安全；其次主控程序能夠準(zhǔn)確地判斷出飛機(jī)當(dāng)前的速度信息、方向信息和經(jīng)緯度信息,如果在安全的距離和角度之內(nèi)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出警報(bào),如果超出安全區(qū)域機(jī)組人員還未采取應(yīng)急措施,主控程序會(huì)自行緊急制動(dòng)以避免發(fā)生碰撞[20]；最后防撞系統(tǒng)主控程序設(shè)有緊急制動(dòng)的安全閾值,閾值的浮動(dòng)范圍可以根據(jù)飛機(jī)的性能自行設(shè)定,超過設(shè)定閾值系統(tǒng)程序就會(huì)進(jìn)行緊急制動(dòng)或適度調(diào)整飛機(jī)的方向,機(jī)載防撞系統(tǒng)的主動(dòng)程序,如圖2所示。

航空防撞系統(tǒng)根據(jù)超聲波回波信號可以規(guī)劃出若干條可供選擇的行進(jìn)路線,系統(tǒng)可以根據(jù)對飛行距離和角度的判斷,并采用分段擬合的方式將這些路線轉(zhuǎn)化為函數(shù)表達(dá)式。曲線分段擬合的算法實(shí)質(zhì)上是一種函數(shù)逼近方法,設(shè)飛機(jī)飛行的軌跡為y=f(x),受到飛行誤差精度的控制和約束,無法保證每一個(gè)最優(yōu)的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi)都能夠準(zhǔn)確通過飛行軌跡,只能夠通過分段擬合的方式逼近理想的飛行軌跡,采樣點(diǎn)的誤差μi可以表示為

μi=f(xi)-f(yi)

(1)

圖 2防撞系統(tǒng)主控程序流程圖Fig.2 Flow chart of the main control program of the collision avoidance system

曲線分段擬合需要解決2個(gè)最基本的問題,首先，要選擇適合的線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù),為了減少計(jì)算的復(fù)雜性通常選用線性函數(shù),在對線性函數(shù)進(jìn)行分段擬合求導(dǎo),逼近理想的飛機(jī)飛行曲線；其次，樣本點(diǎn)的數(shù)量要足夠多,這樣對線性函數(shù)求導(dǎo)后才能夠更加接近曲線函數(shù),還需要保證樣本點(diǎn)到擬合后曲線的縱向距離及橫向距離的平方和最小,這樣可以最大限度地降低飛機(jī)與障礙物發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。在具體的分段擬合中,本文采用最小平方法來平衡實(shí)際觀測值與飛行軌跡預(yù)估值之間的偏差,并利用系統(tǒng)的主控程序糾正預(yù)估軌跡與理想軌跡之間的偏差。在一個(gè)連續(xù)的分段擬合曲線中,設(shè)g0(x),g1(x),…,gn(x)為n+1個(gè)擬合線段,在每一段函數(shù)中都在實(shí)時(shí)地糾正飛行的角度和方向,那么民航飛機(jī)的整個(gè)飛行軌跡ψ,即為這些擬合線段的和,具體表示為

(2)

式中：τk為每一段變量的控制系數(shù);gk(x)為第k分割擬合線段。如果設(shè)分段擬合函數(shù)h(x)∈ψ,經(jīng)過分段擬合后的飛行軌跡也可以改寫為

(3)

這時(shí)由飛行軌跡組合而成的數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi,yi)動(dòng)態(tài)集合,就可以近似地被認(rèn)為是分段擬合函數(shù)h(x),通過對飛行距離和角度的不斷調(diào)整,就能夠有效地規(guī)避前方和側(cè)方的飛行障礙物?；诜侄螖M合算法的航空機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì),在超聲回波識別的準(zhǔn)確性及飛行角度調(diào)整上具有一定的優(yōu)勢,可以確保民航飛機(jī)在安全的區(qū)域內(nèi)飛行。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1仿真場景確定

為檢驗(yàn)本文所提方法在最優(yōu)航線選擇與控制方面的性能,設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將本文所提方法與基于PSO算法的防撞系統(tǒng)相對比,檢驗(yàn)本文所提方法的最優(yōu)路線選擇能力;將本文所提方法與基于PSO算法的防撞系統(tǒng)、基于魚群算法的防撞系統(tǒng)相對比,檢驗(yàn)本文所提方法的控制性能。

設(shè)計(jì)在Matlab7.0仿真環(huán)境下進(jìn)行飛機(jī)的模擬防撞預(yù)警仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中需要做以下的假設(shè)條件:

(1) 民用航空機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng),在航行中保持飛行速度穩(wěn)定不變。

(2) 假定民用航空機(jī)在固定不變的空間高度飛行,飛機(jī)躲避障礙物時(shí)飛機(jī)與障礙物處于同一水平面,這樣可以將三維空間問題轉(zhuǎn)換為二維平面問題。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在200 km×200 km的仿真區(qū)域內(nèi)進(jìn)行避撞仿真實(shí)驗(yàn)分析,在目標(biāo)飛機(jī)所在的區(qū)域內(nèi),還同時(shí)存在2臺障礙物飛機(jī)。如圖3所示,為本文所提方法的最優(yōu)路線選擇結(jié)果。

從圖3可知,實(shí)驗(yàn)過程中,目標(biāo)飛機(jī)和2架障礙物飛機(jī)的測試起點(diǎn)分別為[0,0]、[0，56]和[0，56],3架飛機(jī)處于同向飛行的狀態(tài),由于本文所提的基于分段擬合算法的機(jī)載防撞預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地選擇最優(yōu)航線,因此有效避免了與2架障礙物飛機(jī)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

在同等條件下,傳統(tǒng)的基于PSO算法的防撞系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖 3基于分段擬合算法的防撞系統(tǒng) 最優(yōu)航線選擇圖

Fig.3 Optimal route selection diagram of anti-collision system based on piecewise fitting algorithm

圖 4基于PSO算法的防撞系統(tǒng)最優(yōu) 航線選擇圖Fig.4 Optimal route selection diagram of anti- collision system based on PSO algorithm

從圖4可知,在傳統(tǒng)基于PSO算法的防撞控制系統(tǒng)下,由于在雷達(dá)目標(biāo)的識別和最優(yōu)航線的選擇方面存在不足,導(dǎo)致目標(biāo)飛機(jī)與障礙物飛機(jī)發(fā)生了3次碰撞(碰撞點(diǎn)分別為[83,112]，[119,156]和[160,166]),最優(yōu)航線選擇能力不如本文所提方法。

在設(shè)計(jì)民用航空防撞系統(tǒng)的過程中,還要考慮到飛機(jī)飛行的延誤總路徑。因?yàn)檠诱`總路徑過長不僅會(huì)增加飛行的總代價(jià)和總成本,還會(huì)導(dǎo)致飛行器脫離主航線而造成其他的不可預(yù)測的危險(xiǎn)。分別利用基于分段擬合算法的防撞系統(tǒng)、基于PSO算法的防撞系統(tǒng)和基于魚群算法的防撞系統(tǒng)進(jìn)行了20組仿真實(shí)驗(yàn)(在仿真區(qū)域內(nèi)每隔10 km進(jìn)行一次測算),測算目標(biāo)飛行器的延誤總路徑,具體統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果如表1所示。

分析20次仿真模擬的結(jié)果可知,在相同環(huán)境下,本文所提的基于分段擬合的民用航空機(jī)載防撞系統(tǒng)的防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)路徑偏差在3種方法中最低,證明本文所提方法的飛行控制能力最強(qiáng),性能也最為穩(wěn)定可靠。

表 13種防撞系統(tǒng)的航線糾偏總路徑延誤對比Table 1 Comparison of the total path delay of the three lane collision avoidance systems

4 結(jié) 論

(1) 隨著全球經(jīng)貿(mào)的發(fā)展和一體化程度的提高,當(dāng)前空域中民用飛行器的數(shù)量在快速地增長,航線密集程度的增加也提高飛行器碰撞的幾率,現(xiàn)有空中交管系統(tǒng)面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn),在飛行器合理的避撞中還要兼顧到延誤代價(jià)和飛行成本等問題,為此本文設(shè)計(jì)了一種基于分段擬合算法的民用航空機(jī)載防撞預(yù)警系統(tǒng)。

(2) 本文所提方法對民用航空器飛行過程中的軌跡變化做出預(yù)測和分析,利用分段擬合算法求解出每一段飛行距離的控制函數(shù),并將其匯總擬合為趨近于最優(yōu)航線的最小平方函數(shù),以保證航線的安全性和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,本文所提方法改善了原有飛行避撞系統(tǒng)在最優(yōu)飛行路徑選擇方面精度差、代價(jià)高的問題,整體更具優(yōu)勢性。

(3) 民用航空機(jī)載防撞系統(tǒng)研究是一項(xiàng)具有實(shí)用意義和基礎(chǔ)的課題,在未來階段,應(yīng)在本文研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究,科學(xué)有效地進(jìn)行緊急情況下的航線智能規(guī)劃,以及提高民用航空的低空探測和飛行能力。