美团内部讲座｜北航全权：一种城市空中移动性管理分布式控制框架

【Top Talk/大咖说】由美团技术学院和科研合作部主办，面向全体技术同学，定期邀请美团资深技术专家、业界大咖、高校学者及畅销书作者，为大家分享最佳实践、互联网热门话题、学术界前沿技术进展等内容，帮助美团同学开拓视野、提升认知。

 

2020年10月20日，Top Talk邀请到了北京航空航天大学全权老师，请他带来题为《基于时空大数据的空中高速公路：一种城市空中移动性管理分布式控制框架》的分享。本文系全权老师分享的文字实录，希望能对大家有所帮助或者启发。

/报告嘉宾/

全权｜北京航空航天大学

全权，北京航空航天大学副教授，多伦多大学客座教授（E-mail：qq_buaa@buaa.edu.cn）。长期从可靠飞行控制。作为第一作者，完成英文著作三部，发表文章近百篇。获第二届全国高校自动化专业青年教师实验设备设计“创客大赛”金奖（排名第一）。

/报告摘要/

无人机交通以及最近兴起的空中移动性管理得到了广泛的关注。为此，波音、空客、霍尼韦尔和贝尔等传统航空巨头以及Uber等新兴世界级影响力的企业纷纷加入。本报告提出了空中高速公路方案以及仿真测试。该方案基于时空大数据，考虑了交通网络、航线规划和分布式控制设计。在空中高速公路上，每架无人机都有自己的规划的航线，可以自主地自由飞行，从而支持密集立体的飞行交通。

1. 背景

今天我给大家带来我们实验室（北航可靠飞行控制研究组）做的一些工作，主要内容是讲一种城市空中移动性管理分布式控制框架。

相信美团的同学一定也很非常期待实现无人机配送的一天早日到来。未来无人机配送服务将会极大地改变我们目前的生活方式。尽管在人群密集的区域，我们仍然需要靠人来完成配送服务，但是在人口比较稀疏，比如郊区等地带，使用无人机配送会更好。报告表明，网联无人机将为产业带来7~10倍的产业机会，这也是我们在大概三年前就开始着手做这方面相关的工作的原因。

无人机的交通网和交通管理，是否可以利用现有的交通方式呢？我们通过研究发现，像传统的民航网其实是不适合的，民航的飞行器其实非常稀疏，在三维空间，整个网络的变化频率是比较低的，有入网申请时，基本上是通过集中式的规划。而公路网络尽管很密集，但是二维空间，因此交通网络管理也是偏自主的。铁路同样也是二维的。网络动态变化是说就像我们上互联网一样，我们需要接入网络，而公路不可能马上为我们修一条公路出来。无人机交通与公路、铁路具有共同点，不同的是无人机处于三维空间， 网络动态变化比较高。因此我们在设计无人机飞行控制框架时，希望设计一种能够适应包括无人机的增加、网络的扩展等变化的框架。关于路径规划，其实可以采用集中式加自主的方式来进行。关于这部分的内容我们今年发表了一篇综述文章《低空无人机交通管理概览与建议综述》，感兴趣的同学可以参阅。

我们希望能够为低空持续增长无人机及应用提供一个低空的智能大脑。对于技术研究来说话，低空高空的区别没有那么大，但目前我们主要是考虑低空多一些。比如说开放120米以下的低空，它的特点在于这些地方会有非常多的建筑，如果无人机掉下来的话，会对下方区域的人身及财产安全造成一些危害，这是对我们城市交通的一个非常大的挑战。因此我们主要考虑以下三个需求：

• 规划无人机的航线、起飞时间，确保无人机在避免冲突的前提下起飞：无人机航线起飞时间跟我们目前坐飞机的感觉是一样的，有时候飞机会停在某个地方延迟起飞，目的是为了不与其他飞机在航路上发生碰撞及冲突，当然有时候也会因为天气等原因，需要飞机延迟起飞，因为飞机在地面等待，代价是最小的。

•  在避免碰撞的前提下顺利完成飞行任务

• 应对天气、禁飞区等不确定因素的影响：无人机临时在飞行过程中，我们有时需要切断某些航线，这种情况下，我们希望飞行器仍然能够能够飞到目的地，至少它能安全的回到附近的机场。

       

2. 空中高速公路基础：网络和时空大数据

开展空中高速公路研究，我们需要有网络和时空大数据的一些研究基础。

首先我们需要有通信、导航、监视功能等基础设施，这些功能充当着整个无人机交通管理系统的眼睛、耳朵和神经系统，负责态势感知和信息传输。其中，通讯就是4G/5G、卫星通讯等，这是我们的网络。导航是我们飞行器需要导航，比如说通过基站定位、雷达、卫星、惯导以及视觉的导航。而监视跟导航的区别在于导航是给飞行器用的，监视是我们作为官方需要了解飞行器在空中的动态。有些飞行器可能会自己导航，通过导航或者通信告诉地下的地面站，这样的话我们可以监视。但有些飞行器是航模，没有通讯的功能，只能被动的被看到，那么我们可以通过一些可见光、声波等来监视，还有飞行器可能通过一些ADS-B等来广播自己的信息。因此通过以上这些功能，可以实现我们对飞行器飞行周边环境的了解，地面对空中环境的了解，这是我们做空中高速公路研究的一个基础。

另一方面，我们需要时空大数据的支撑。首先我们需要了解所有禁飞区，禁飞区也会动态的变化。其次我们需要了解气象大数据，以便我们规划飞行器避开极端天气。同时我们也需要获取地理大数据的信息，比如通过地理大数据我们可以了解什么位置有障碍物，哪些区域下方是草地等，根据这些信息可以进一步的提取一些信息，来规划飞行器的航路、航路网等以及规划飞行器的航线。另外我们还可以通过移动互联网知道哪些地方人口密集，这样在规划航路网或者航线的