張遠洋,張躍進

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

0 引 言

在國際貿易和旅游產業(yè)的推動下，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)展速度遠高于世界平均水平,航空產業(yè)所創(chuàng)造的產值僅次于美國,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關注的問題之一[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行管理系統(tǒng),依靠空間通信衛(wèi)星、雷達和地面接收站指揮中心形成了一個立體化的空間通信網(wǎng)絡,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載防撞系統(tǒng)能夠從總體上控制飛機之間的安全飛行距離,并通過雷達信號與每一臺民航飛機取得聯(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)計結果來看,空間防撞系統(tǒng)的投入使用使全球范圍內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,還應該在每一臺民用航空器上安裝機載防撞安全系統(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。因此,設計有效的民用航空機載防撞預警系統(tǒng)的重要性不言而喻。目前在民用航空機載防撞預警方面已有一些專家學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警系統(tǒng)設計,利用魚群算法在飛機周圍的水平和垂直方向上分別確定相應的避撞區(qū)域和保護區(qū)域,并確定預警的時間和空間門限,實現(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,但存在運算量大和代價過高的問題;韓艷茹等[8]提出一種基于改進PSO算法的空中交通預警與防撞系統(tǒng)，對相同高度的交叉沖突場景飛行器進行研究,確定兩架飛機間的距離與安全間隔的關系,采用改進PSO算法建立沖突解脫策略的調配模型,規(guī)避飛行沖突，但基于PSO優(yōu)化技術的防撞預警系統(tǒng)的延誤路徑過長,不能夠有效控制飛行器的碰撞風險,實時性差；盧允娥等[9]提出一種基于 ADS-B技術的機載綜合防撞系統(tǒng),提出調速與調向的相對運動解脫算法,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、代價高、實時性差的問題,本文設計一種基于分段擬合算法的民用航空器機載防撞系統(tǒng)設計,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、超聲波雷達模塊、碰撞報警模塊等硬件結構構建防撞預警系統(tǒng),并對民用航空器飛行過程中的軌跡變化做出預測和分析;設計機載防撞系統(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),實現(xiàn)民航飛行的安全控制。

1 防撞系統(tǒng)硬件結構

機載防撞系統(tǒng)硬件部分的設計需考慮到多種復雜的高空應用場景,并選擇和應用識別率更高的超聲波雷達來測試民航飛機的飛行速度與設備之間的準確距離[10-11]。超聲波雷達模塊在硬件系統(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,本文設計的民用航空機載防撞系統(tǒng)的超聲波雷達模塊還在距離測試算法上進行了優(yōu)化和更新,采用了分段擬合技術降低防撞預警系統(tǒng)的算法代價,縮短延誤距離,并提高障礙物識別的準確率。民用航空機載防撞系統(tǒng)的主要硬件構成如圖1所示。

圖 1民用航空機載防撞預警系統(tǒng) 硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of civil aviation airborne anti-collision warning system

超聲波雷達模塊采用仿生學的原理,持續(xù)不斷地向前端和左右兩端發(fā)出和接收信號,該模塊還內置了信號調制電路與信號放大電路,實現(xiàn)對信號功能的放大和濾波。超聲波雷達采集到的距離、角度相對位移等信息都傳輸?shù)椒雷差A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,選擇功能更為強大、功耗更低的STM32F258I80型芯片。STM32F258I80型MCU主動芯片是航空機載防撞預警系統(tǒng)的核心模塊,芯片的最高信號采樣率能夠達到2.8 MHz,無需外接任何設備。芯片的引腳數(shù)量為136個,最高控制主頻能夠達到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裝置與信號調制電路及超聲波雷達模塊連接,實時地處理外部傳遞進系統(tǒng)的信號。如果發(fā)現(xiàn)在有效可控的半徑范圍內存在障礙物,超聲波報警模塊就會提升機組人員做好應急預案。系統(tǒng)程序運行模塊負責MUC主控芯片及其他模塊的程序調動和修正,數(shù)據(jù)存儲模塊主要負責對采集到的全部空間數(shù)據(jù)進行存儲,以便后續(xù)工作中隨時調用[13-15]。

本文設計的超聲波雷達模塊使用小型多波段雷達傳感器,模塊中內置的超聲波震蕩裝置能夠調制和過濾多種信號波形,并將回撥信號調制成MCU主控芯片能夠識別的連續(xù)波形。首先作為被調節(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,信號輸出的阻抗值低于40 Ω。其次在信號發(fā)出時原始信號被一分為二,這樣發(fā)出的超聲波頻率會更加穩(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]。

由于超聲波雷達模塊輸出的波形為未被調制的正弦波,很容易被湮沒在高空的噪聲之內,因此在模塊的前端安裝了濾波裝置,需要將標準的正弦波調制成為三角波型,以增強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制波形的同時也能夠實現(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)的能耗而且負載的負面效應也不明顯,實現(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警防撞系統(tǒng)的綜合管理和控制[18]。

此外,本文設計的民用航空機載防撞系統(tǒng)的超聲波雷達模塊還采用了濾波降噪的方法,將更強的三角波型作為系統(tǒng)調制信號輸入端,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,并促使整個信號的識別與分析系統(tǒng)形成一種自動反饋的機制,確?；夭ㄐ盘栐谳斎搿⑤敵龆说姆€(wěn)定性都能夠加強,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)境噪聲當中。由于STM32F258I80型芯片內部的數(shù)據(jù)存儲空間有限,采用了FMC的方式外接拓展系統(tǒng)的內存,在存儲器規(guī)格的選擇上采用了SDR系列的擴展內存,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行程序及其他模塊的應用程序,供系統(tǒng)隨時地調用。一旦通過對超聲回波的分析識別到前方危險區(qū)域有障礙物時,預警模塊就會發(fā)出報警,提醒機載人員采用主動防控措施,有效規(guī)避潛在風險的存在。

2 防撞系統(tǒng)軟件

民用航空機載防撞系統(tǒng)的軟件主控程序采用了ARM公司的通用軟件設計,界面友好、操作簡單，同時還具有良好的系統(tǒng)兼容性。超聲波雷達模塊通過對回波信息的分析,以判斷飛機是否處于安全的飛行區(qū)域之內,如果檢測出在飛行角度和飛行距離方面存在安全隱患,報警模塊就會發(fā)出警告以提示飛機駕駛員和機組人員采取應急措施。防撞預警模塊主控程序應具備以下的基本功能,超聲波雷達模塊實時獲取前方或側方的障礙物信息,MCU芯片識別回波信號有效載入信息判斷飛機當前的飛行狀態(tài)是否安全；其次主控程序能夠準確地判斷出飛機當前的速度信息、方向信息和經(jīng)緯度信息,如果在安全的距離和角度之內系統(tǒng)不會發(fā)出警報,如果超出安全區(qū)域機組人員還未采取應急措施,主控程序會自行緊急制動以避免發(fā)生碰撞[20]；最后防撞系統(tǒng)主控程序設有緊急制動的安全閾值,閾值的浮動范圍可以根據(jù)飛機的性能自行設定,超過設定閾值系統(tǒng)程序就會進行緊急制動或適度調整飛機的方向,機載防撞系統(tǒng)的主動程序,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化為函數(shù)表達式。曲線分段擬合的算法實質上是一種函數(shù)逼近方法,設飛機飛行的軌跡為y=f(x),受到飛行誤差精度的控制和約束,無法保證每一個最優(yōu)的空間數(shù)據(jù)點(xi,yi)都能夠準確通過飛行軌跡,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),為了減少計算的復雜性通常選用線性函數(shù),在對線性函數(shù)進行分段擬合求導,逼近理想的飛機飛行曲線；其次，樣本點的數(shù)量要足夠多,這樣對線性函數(shù)求導后才能夠更加接近曲線函數(shù),還需要保證樣本點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與障礙物發(fā)生碰撞的風險。在具體的分段擬合中,本文采用最小平方法來平衡實際觀測值與飛行軌跡預估值之間的偏差,并利用系統(tǒng)的主控程序糾正預估軌跡與理想軌跡之間的偏差。在一個連續(xù)的分段擬合曲線中,設g0(x),g1(x),…,gn(x)為n+1個擬合線段,在每一段函數(shù)中都在實時地糾正飛行的角度和方向,那么民航飛機的整個飛行軌跡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)

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

3 仿真實驗及結果

3.1仿真場景確定

為檢驗本文所提方法在最優(yōu)航線選擇與控制方面的性能,設計對比實驗進行驗證。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,檢驗本文所提方法的控制性能。

設計在Matlab7.0仿真環(huán)境下進行飛機的模擬防撞預警仿真實驗,實驗中需要做以下的假設條件:

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

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

3.2實驗結果與分析

在200 km×200 km的仿真區(qū)域內進行避撞仿真實驗分析,在目標飛機所在的區(qū)域內,還同時存在2臺障礙物飛機。如圖3所示,為本文所提方法的最優(yōu)路線選擇結果。

從圖3可知,實驗過程中,目標飛機和2架障礙物飛機的測試起點分別為[0,0]、[0，56]和[0，56],3架飛機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載防撞預警系統(tǒng)可以實時地選擇最優(yōu)航線,因此有效避免了與2架障礙物飛機碰撞的風險。

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,由于在雷達目標的識別和最優(yōu)航線的選擇方面存在不足,導致目標飛機與障礙物飛機發(fā)生了3次碰撞(碰撞點分別為[83,112]，[119,156]和[160,166]),最優(yōu)航線選擇能力不如本文所提方法。

在設計民用航空防撞系統(tǒng)的過程中,還要考慮到飛機飛行的延誤總路徑。因為延誤總路徑過長不僅會增加飛行的總代價和總成本,還會導致飛行器脫離主航線而造成其他的不可預測的危險。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)進行了20組仿真實驗(在仿真區(qū)域內每隔10 km進行一次測算),測算目標飛行器的延誤總路徑,具體統(tǒng)計分析的結果如表1所示。

分析20次仿真模擬的結果可知,在相同環(huán)境下,本文所提的基于分段擬合的民用航空機載防撞系統(tǒng)的防撞系統(tǒng)設計路徑偏差在3種方法中最低,證明本文所提方法的飛行控制能力最強,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 論

(1) 隨著全球經(jīng)貿的發(fā)展和一體化程度的提高,當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)面臨著嚴重的挑戰(zhàn),在飛行器合理的避撞中還要兼顧到延誤代價和飛行成本等問題,為此本文設計了一種基于分段擬合算法的民用航空機載防撞預警系統(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)濟性。實驗結果證明,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、代價高的問題,整體更具優(yōu)勢性。

(3) 民用航空機載防撞系統(tǒng)研究是一項具有實用意義和基礎的課題,在未來階段,應在本文研究的基礎上繼續(xù)深入研究,科學有效地進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。