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考虑风扰动效应的低空物流无人机安全间隔动态计算方法

赵顾颢 曹玉龙 周志崇 谢涵臣

赵顾颢, 曹玉龙, 周志崇, 谢涵臣. 考虑风扰动效应的低空物流无人机安全间隔动态计算方法[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(4): 68-78. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.164
引用本文: 赵顾颢, 曹玉龙, 周志崇, 谢涵臣. 考虑风扰动效应的低空物流无人机安全间隔动态计算方法[J]. 交通运输工程学报, 2026, 26(4): 68-78. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.164
ZHAO Gu-hao, CAO Yu-long, ZHOU Zhi-chong, XIE Han-chen. Dynamic safety separation calculation method for low-altitude logistics UAVs considering wind disturbance effects[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(4): 68-78. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.164
Citation: ZHAO Gu-hao, CAO Yu-long, ZHOU Zhi-chong, XIE Han-chen. Dynamic safety separation calculation method for low-altitude logistics UAVs considering wind disturbance effects[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2026, 26(4): 68-78. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.164

考虑风扰动效应的低空物流无人机安全间隔动态计算方法

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2026.164
详细信息
    作者简介:

    赵顾颢(1986-),男,浙江杭州人,副教授,博士,E-mail:zhaoguhao_1986@163.com

  • 中图分类号: U8

Dynamic safety separation calculation method for low-altitude logistics UAVs considering wind disturbance effects

More Information
Article Text (Baidu Translation)
  • 摘要: 低空物流无人机在复杂风场环境下飞行时,风扰动显著影响飞行轨迹,传统固定安全间隔方法难以适应实际运行需求,为此,提出了一种考虑风扰动效应的安全间隔动态计算方法。建立了风扰动姿态角耦合模型,通过分析风速对无人机姿态角的影响机制,推导了偏航角、俯仰角和横滚角与风速分量的耦合关系;构建了风扰动下的位置偏差预测模型,利用全球定位系统和惯性测量单元数据进行参数拟合,建立了侧向、纵向和垂向位置偏差与风速的定量关系;提出了动态安全间隔计算方法,根据实时风场信息和飞行参数动态调整水平和垂直安全间隔。结果表明:侧向、纵向和垂向位置偏差的标准差分别为0.88、1.32、0.91 m,模型预测误差均在1.5 m以内;在相同交通流量条件下,与传统固定间隔方法相比,动态间隔计算方法可将潜在冲突次数降低约37%,同时保持95%以上的安全裕度。该方法能够有效应对风扰动对无人机飞行轨迹的影响,显著提高低空物流无人机的运行安全性和空域利用效率,可为航迹规划、冲突探测和空域管理提供理论支撑。

     

  • 图  1  动态位置误差概率模型

    Figure  1.  Dynamic positional error probabilistic model

    图  2  基于风力影响的安全间隔修正模块流程

    Figure  2.  Flow of the safety interval correction module based on wind effects

    图  3  分离乘数随时间变化趋势

    Figure  3.  Trend of separation multiplier over time

    图  4  风速随时间变化趋势

    Figure  4.  Trend of wind speed over time

    图  5  UAV_0二维轨迹

    Figure  5.  2D trajectory of UAV_0

    图  6  UAV_0高度剖面

    Figure  6.  Height profile of UAV_0

    图  7  碰撞风险随时间变化对比

    Figure  7.  Comparison of collision risks over time

    图  8  安全间隔随无人机数量变化对比

    Figure  8.  Comparison of safety intervals with the numbers of UAV

    图  9  不同速度下的安全间隔对比

    Figure  9.  Comparison of safety intervals at different speeds

    图  10  空域密度与风险关系对比

    Figure  10.  Comparison of relationship between airspace density and risk

    图  11  算法计算效率对比

    Figure  11.  Comparison of algorithm computing efficiencies

    图  12  风扰代理机制有效性验证

    Figure  12.  Effectiveness validation of the wind disturbance proxy mechanism

    表  1  模型适用性边界条件

    Table  1.   Applicability boundary conditions of the model

    条件类别 参数 有效范围 依据
    气象条件 风速/(m·s-1) 0~18 超过18 m·s-1时式(2)线性假设误差大于15%
    姿态角 横滚角|φ|/(°) < 15 小角度近似条件
    俯仰角|θ|/(°) < 25 小角度近似条件
    飞行状态 地速/(m·s-1) 0~15 典型物流无人机巡航速度范围
    高度/m 50~200 边界层效应显著的低空范围
    数据采集 采样频率/Hz ≥1 满足姿态角动态变化的Nyquist采样要求
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    表  2  各因子计算规则与风险等级

    Table  2.   Calculation rules and risk levels for each factor

    类型 区间 因子 说明
    风速区间/(m·s-1) ≤5 1.0 风速很小,影响最小
    (5, 10] 1.0~1.5 线性插值:1.0+0.5Pw
    (10, 15] 1.5~2.0 线性插值:1.5+0.5Pw
    >15 >2.0 指数增长:2.0+0.1O
    能见度区间/km ≥8 1.0 能见度极佳
    [5, 8) 1.2 能见度良好
    [3, 5) 1.5 能见度一般
    < 3 2.0 能见度较差
    湍流强度区间(0~1) ≤0.2 1.0 湍流很小,影响最小
    (0.2, 0.4] 1.0~1.5 二次插值:1.0+0.5Pt2
    (0.4, 0.6] 1.5~2.5 二次插值:1.5+Pt2
    >0.6 >2.5 指数增长:2.5+2.0O
    分离乘数区间及风险等级 ≤1.2 风险很低
    (1.2, 1.5] 中等 风险可控
    (1.5, 2.0] 风险较高
    >2.0 严重 风险极高,需警惕
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    表  3  违规事件报告(节选)

    Table  3.   Breach report (excerpt)

    时间戳 无人机对 最小比率 关键维度 实际间隔/m 要求间隔/m
    00:15:00 UAV_1-2 0.98 侧向 78.4 80.0
    00:45:00 UAV_3-4 0.95 垂直 47.5 50.0
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    表  4  风扰代理变量与位置误差的相关性验证

    Table  4.   Correlation validation between wind disturbance proxy variables and position errors

    代理变量 误差指标 Pearson相关系数 p
    横滚角变化率|dφ/dt| 横向误差 0.450 1 < 0.001
    俯仰角变化率|dθ/dt| 垂直误差 0.122 8 < 0.001
    横滚角|φ| 横向误差 0.394 6 < 0.001
    综合姿态变化强度 总体位置误差 0.558 5 < 0.001
    地速 横向误差 0.235 7 < 0.001
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    表  5  不同飞行条件下的模型泛化能力验证

    Table  5.   Generalization ability validation of the model under different flight conditions

    变量 分组 样本量 Pearson相关系数 p
    地速 低速(0~5 m·s-1) 3 296 0.472 1 < 0.001
    中速(5~10 m·s-1) 115 0.191 2 0.041
    高速(10~15 m·s-1) 39 486 0.578 0 < 0.001
    高度 低空(< 80 m) 4 685 0.587 7 < 0.001
    中空(80~120 m) 12 584 0.501 2 < 0.001
    高空(>120 m) 28 219 0.506 7 < 0.001
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    表  6  实际运行场景对比验证结果

    Table  6.   Comparative validation results of actual operation scenarios

    方法 总违规事件数 每小时违规次数 相比基准 平均实际间隔/m 空域利用率
    固定间隔 14 1.65 168.2 基准
    本文方法 3 0.35 -79% 141.5 18.8%
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-28
  • 录用日期:  2026-01-23
  • 修回日期:  2025-11-22
  • 刊出日期:  2026-04-28

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