基于通信信号管制的城市空中交叉口设计研究.pdf
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1、第 42 卷第 2 期圆园24 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINAVol.42 No.2April2024基于通信信号管制的城市空中交叉口设计研究张洪海,黄雨婷,戴一鸣,夷珈,万俊强(南京航空航天大学民航学院,南京211106)摘要院 为确保城市低空空域内无人机规模化运行安全袁缓解低空交通运行瓶颈袁本文借鉴地面交通较为成熟的研究成果袁结合城市低空及无人机运行特色袁提出一种基于通信信号管制的城市空中交叉口设计模型遥 首先袁考虑航路构型设计与航路运行主体袁构建无人机运行所需的城市低空航路遥 其次袁从进出
2、口道尧冲突响应距离 2 方面对空中交叉口几何结构进行设计袁再从进口航道划分尧通信信号管制尧无人机高度调整 3 方面对交通组织进行设计袁实现对空中交叉口的基本模型设计遥 最后袁设置仿真实验验证该模型的可行性袁并分析不同参数组合下的交叉口综合通行效率遥实验结果表明院当飞行速度为 18 m/s袁纵向间隔为 50 m袁管制信号周期时长为 226 s 时袁综合通行效率达到最佳遥 本研究可为未来城市空中交通航路网络精细划设与管理提供支撑袁增强低空无人机交通的实践性遥关键词院 空中交通管理曰城市空中交通曰无人机曰交叉口曰通行效率中图分类号院 V355文献标志码院 A文章编号院 1674原5590渊圆园24冤
3、02原园园01原12收稿日期院 2023-12-18;修回日期院 2024-03-03基金项目院 国家自然科学基金项目(71971114,U2133207)作者简介院 张洪海(1979),男,山东鄄城人,教授,博士,研究方向为空管协同化与智能化、城市空中交通、智慧低空物流.Research on urban air intersection design based on communication signal controlZHANG Honghai,HUANG Yuting,DAI Yiming,YI Jia,WAN Junqiang(College of Civil Aviation,
4、Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)Abstract:To ensure the safety of large-scale operation of unmanned aerial vehicle(UAV)in urban low-altitude airspace andalleviate the bottleneck of low-altitude traffic operation,this paper draws on mature research results in gr
5、oundtransportation and combines the characteristics of urban low altitude and UAV operation to propose an urban airintersection design model based on communication signal control.Firstly,the design of air route configuration andmain body of route operation are considered to construct the urban low-a
6、ltitude air routes required for the UAVoperation.Secondly,geometric structure of air intersection is designed from two aspects of entrance and exit chan鄄nels as well as conflict response distance.Then,traffic organization is designed from three aspects of entrancechannel division,communication signa
7、l control and UAV height adjustment to achieve the basic model design ofthe air intersection.Finally,simulation experiment is set up to verify the feasibility of the model,and the compre鄄hensive traffic efficiency of intersection under different parameter combinations is analyzed.The experiments sho
8、wthat when the flight speed is 18 m/s,the longitudinal interval is 50 m and the duration of the control signal cycleis 226 s,the comprehensive traffic efficiency reaches its optimal level.This research can provide support for pre鄄cise planning and management of future air route network in urban air
9、mobility and enhance the practicality oflow-altitude UAV transportation.Key words:air traffic management;urban air mobility;unmanned aerial vehicle(UAV);intersection;traffic efficiency随着城市空中交通概念的兴起1-4与低空空域进一步开放,未来城市低空交通需要能够提供安全、可靠、绿色、高效的载货乃至载人的航空运输服务。交叉口作为交通流的集散点,是航路网络的关键,具有极其复杂的交通特性。未来城市低空或将面对大量无人机
10、(UAV,unmanned aerial vehicle)的运行需求,为避免无人机间冲突,并保障空中交通的安全、有序、高效运行,对城市低空空中交叉口的设计研究是目前亟待解决的关键问题。目前,有关空中交叉口的研究仍处于起步阶段。在2024 年 4 月中 国 民 航 大 学 学 报空中交叉口构型研究方面,文献5对航路、交叉口、节点等低空广义航路的连通特征进行了界定;文献6提出一种无人驾驶航空器空中交通管理体系,包括城市低空空域、交叉口节点等网络设计概念;文献7提出 3种应用于城市高层建筑之间的多层通道型空域结构及相应通道交叉口设计概念;文献8提出一种空中高速航路模型,对航路交叉口的几何构型进行设计
11、;文献9提出了包括空中交叉口等的城市低空航路规划框架体系;文献10提出一种基于航道的无人机空域结构,以及交叉冲突解脱规则。在空中交叉口运行模式研究方面,文献11提出一种无人机航路网络各节点边缘无冲突转换的解耦方案,减少无人机在网络节点处的冲突延误;文献12针对低空自主驾驶和远程操控运行方式,提出了航路交汇点处的避让规则;文献13综合考虑通信传输和无人机能耗,提出一种新型无人机航迹运动模式;文献14提出了一种自主型无人机通用的空中交通控制解决方案,并在交叉口等密集交通场景下进行了试验;文献15提出了 4 种无人机交通管理模型,并分别对航路交叉处的运行方式进行了讨论;文献16运用宏观基本图对城市低
12、空无人机交通流的运动模式进行研究,可用于检测空域内交叉拥堵状况;文献17基于六边形网格化空域结构,通过整数规划实现无人机密集运行场景下的最优路径求解。上述研究开拓了空中交叉口这一新兴研究方向。在构型研究中,现有文献以构建空中交叉口概念模型为主,对微观几何结构组成分析较少;在运行模式研究中,现有文献多侧重于对无人机本身飞行行为的讨论,较少从空中交叉口整体交通控制角度进行研究。本文面向未来城市空中交通发展趋势,借鉴地面交通在交叉口方面较为成熟的研究成果,结合城市低空特色及无人机运行特性,提出一种基于通信信号管制的城市空中交叉口设计模型。在构建所需城市低空航路的基础上,提出空中交叉口几何结构及交通组
13、织设计,并通过仿真实验进行验证分析,以弥补当前相关研究空缺,并丰富城市空中交通理论,为未来城市空中交通航路网络精细划设与管理提供支撑。1问题描述1.1运行环境不同的空域结构和运行规则对空中交叉口的设计规划有一定影响。本文参考文献7中的空域结构设计,城市街道上方的空域与地形相一致,并按高度划分为多层,每层都被设计为可引导和约束无人机飞行的空域结构。1.2研究假设为便于后续研究,作出以下假设:(1)假设无人机为刚体,忽略气流影响;(2)假设无人机飞行航迹相互独立;(3)假设无人机均为旋翼式,可垂直起降,可悬停等待;(4)忽略雨、雪、雷暴等恶劣天气的影响;(5)假设无人机到达概率服从正态分布。基于以
14、上假设,本文面向城市无人机大规模系统化运营场景,对两条或两条以上低空航路的相交处,即空中交叉口的设计进行研究。2模型设计2.1城市低空航路设计2.1.1航路构型设计针对同一高度层的城市低空航路,仿照地面道路进行立体化设计,同向及逆向多条长方体形航道相互平行,构成一组航路系统。根据无人机碰撞区域的概念对航道进行设定,碰撞区域是指以无人机为中心的包含一定空间范围的区域,若存在其他物体入侵该区域,则可认为发生碰撞,常见碰撞区域如图 1 所示。考虑到同尺寸下长方体形碰撞区域更为保守(碰撞体积更大),因此,在设计航道时以其为基础。无人机碰撞区域又称无人机碰撞盒,在 Reich 模型18中,碰撞盒大小直接
15、取决于航空器实际尺寸,这种设计方式无法完全容纳航空器的机动行为,如当航空器做滚转或俯仰运动时,机翼或尾翼部分极易超出碰撞盒边界。因此,本文将采用能包含无人机机体椭球的最小外接长方体作为无人机长方体形碰撞盒,如图2 所示。设无人机高度为 h,翼展半径为 r,机体椭球高度为 H,半径为 R,则图 2(c)中阴影部分体积1-2为图 13 种常见碰撞区域示意图Fig.1Schematic diagram of three common collision zones(a)长方体形(b)椭球体形(c)圆柱体形2-第 4圆 卷 第 圆 期图 2无人机碰撞盒及其最小边界示意图Fig.2Schematic d
16、iagram of UAV collison box and its minimumboundaries(a)三类碰撞盒(b)俯视图(c)正视图Hh2R2r张洪海,黄雨婷,戴一鸣,等:基于通信信号管制的城市空中交叉口设计研究V=2仔3HR2-仔hr2=4仔r2H33(H2-h2)-仔hr2(1)由于 h 与 r 均为已知参数,而阴影部分体积 V 是关于机体椭球高度 H 的函数,则有dVdH=43仔r2H2(H2-3h2)(H2-h2)2=0(2)其中,无人机长方体形碰撞盒高度 Hb和宽度 Wb可表示为Hb=3姨hWb=23姨r嗓(3)在城市低空航路系统中,针对同一高度层,令无人机沿各航道中心线
17、飞行,根据无人机长方体形碰撞盒尺寸,每条航道高为 Hb,宽为 Wb,不允许出现横向变道、换道等行为,平行航道间均隔开一定距离,防止无人机因通信导航误差等原因入侵相邻航道产生碰撞,该距离可根据最大规格无人机机型的横向安全间隔要求 slat来确定。以上对航路构型各要素的具体设计如图 3 所示。另外,在本文的城市低空航路系统中,允许存在不同高度层的平行航路,各层航路结构相同,垂直间隔不小于 20 m。2.1.2航路运行主体运行主体即作为航路及交叉口设计依据的无人机,运行主体的飞行模型、间隔控制等直接关系到航道宽度、航道间隔等设计问题。1)飞行模型一般而言,无人机安全间隔远大于自身尺寸,在不考虑气流作
18、用下,无人机的姿态变化、扭转力矩等动力学因素对安全间隔的影响微乎其微。因此,本文不考虑气动力、飞行姿态等影响因素,仅从运动学角度建立无人机基本飞行模型,以反映无人机位置变化关系。以正北方为 y 轴正方向、竖直向上为 z 轴正方向建立空间直角坐标系。定义 x 轴正方向航向为 0毅,且航向沿 x 轴正方向逆时针计算;定义水平面爬升角为 0毅,且向上爬升为正,向下为负。设 t 时刻无人机 i 的标称位置、速度、加速度、航向分别为 pi(t)、vi(t)、ai(t)、兹i(t),其中 pi(t)=(xi(t),yi(t),zi(t)。对于水平飞行有以下 3 种情况。(1)匀速直线飞行:无人机做匀速飞行
19、,航向不变。一般来说,无人机大多处于此飞行模式。此时,vi(t)=vi(0),ai(t)=0,兹i(t)=兹i(0),pi(t+驻t)=pi(t)+vi(t)驻t。(2)匀加/减速直线飞行:无人机做加速/减速飞行,航向、加速度均不变。此飞行模式常用于无人机相遇场景。此时,vi(t+驻t)=vi(t)+ai(t)驻t 且椰vi(t)椰沂0,vimax,ai(t)=ai(0),兹i(t)=兹i(0),pi(t+驻t)=pi(t)+vi(t)驻t+ai(t)驻t2/2,其中,vimax表示无人机 i 的最大平飞速度。(3)匀速圆周飞行:无人机做匀速转弯,速度大小不变,航向以匀角速度变化。设圆心坐标为
20、 oi,于是有椰vi(t)椰=椰vi(0)椰,pi(t)为以 oi为起点的向量,则 R=椰pi(t)椰。若(pi(t)伊 vi(t)伊 iz 0)为无人机的恒减速度。本文要求无人机在进口道调整区内将速度降至交叉区域规定速度,则进口道调整区长度 Da1应满足Da1逸v0t1-12a1t21(9)待通过区衔接调整区与航路交叉区域,为悬停等待通过的无人机提供等待空间。设最大允许排队架次为 c,则待通过区长度 Dw应满足使前(c-1)架无人机保持最小安全间隔依次排列悬停的情况下,第 c 架无人机可从规定速度 vt降至悬停并与前一架无人机也保持最小安全间隔,可表示为Dw逸vt伊vt-0a1蓸蔀-12a1
21、vt-0a1蓸蔀2+c 伊 2r+(c-1)smin=v2t2a1+2cr+(c-1)smin(10)若待通过区内无悬停等待情况,无人机按规定速度 vt依次通过该区域即可。2)出口道由内向外考虑缓冲区与调整区,出口道设计示意图如图 5 所示。无人机首先从航路交叉区域进入缓冲区,再进入调整区,最后即可进入普通航路段。缓冲区衔接航路交叉区域与调整区,在缓冲区内,无人机保持规定速度继续飞行,为离开的无人机提供一段缓冲区间,减少对交叉区域内复杂交通流的影响。缓冲区长度 Db应不小于前后两机纵向间隔,即Db逸sreq。调整区衔接缓冲区与普通航路段,在调整区内,4-第 4圆 卷 第 圆 期图 5出口道设计
22、示意图Fig.5Schematic diagram of exit channel design调整区缓冲区航路交叉区域普通航路段张洪海,黄雨婷,戴一鸣,等:基于通信信号管制的城市空中交叉口设计研究图 6冲突响应区域示意图Fig.6Schematic diagram of conflict response area(a)垂直(b)非垂直DcDcDcDc无人机可进行速度调整,以加速至普通航路段飞行速度,对于在进口道调整区内进行过高度调整的无人机,可在此爬升或下降至原高度层。无人机由规定速度 vt加速至普通航路段飞行速度 v0所需的时间为t2=v0-vta2(11)式中,a2(a2 0)为无人机
23、的恒加速度。本文要求无人机在出口道调整区内将速度提升至普通航路段飞行速度,则出口道调整区长度 Da2应满足Da2逸vtt2+12a2t22(12)2.2.2交叉口冲突响应区域为保障交叉口运行安全,无人机在进入交叉区域前的一段距离内,应能感应到相交航路上的无人机运行情况,以便能及时采取措施直接通行或制动悬停。这段必要的距离应不小于无人机冲突响应距离。将冲突响应距离定义为无人机从感应到前方障碍物、紧急制动、悬停,并与障碍物保持最小安全间隔 smin整个过程所需的最短飞行距离,可表示为Dc=vttdelay+v2t2a1+smin(13)则由相交航路上的无人机冲突响应距离所构成的区域称为冲突响应区域
24、,在其范围内不能有任何影响无人机感应信号的障碍物,如图 6 所示,图 6 中阴影部分分别表示垂直相交航路与非垂直相交航路的冲突响应区域。2.3空中交叉口交通组织设计2.3.1进口航道划分进口航道划分的目的是使不同种类、飞行方向的交通流分道运行。具体航道的划分可根据目标方向为左转、直行、右转的无人机比例来进行:(1)若航路上左转、直行、右转无人机组成比例较均匀且都有一定数量,可为 3 个目标方向各设置专用航道,仅允许该目标方向无人机飞行;(2)若直行无人机占航路总交通量比例较大,且左转无人机占比达总交通量的 1/4,可分设 1 条左转专用航道和 2 条直行航道;(3)若左转无人机占比达总交通量的
25、 1/3,且右转无人机占比较低,可设置 1 条左转专用航道,右转与直行无人机合用 1 条航道;(4)若右转无人机占比达总交通量的 1/3,且左转无人机占比较低,可设置 1 条右转专用航道,左转与直行无人机合用 1 条航道;(5)若左转和右转无人机占比均较低,可分别设置 1 条左转与直行无人机合用航道,1 条右转与直行无人机合用航道。以上为理论的进口航道划分方式,在实际设计中应根据管制方式、交通量、通行能力等不同条件,最终确定各相交航路的航道数及是否设置专用航道,尽量使各方向的无人机交通流避免相互干扰。2.3.2通信信号管制当交叉口处交通流量较大时,可采取类似地面交通的信号管制,由城市空中交通管
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