多无人机空域监测：多边形禁飞区与机间冲突

为什么需要这个模块

现有的禁飞区检测模块面向单个经纬度点，用 Haversine 距离判断是否落入圆形区域。它适合“起点/终点是否安全”的快速检查，但无法回答低空多机场景中的两个关键问题：

一架无人机沿整条航迹飞行时，是否会在某个时刻进入多边形禁飞区？
两架无人机的航迹是否会在未来短时间内发生危险接近？

本模块把输入扩展为多架无人机的 ENU 时间序列，输出电子围栏告警、两两最近接近距离和冲突解脱建议。核心算法只依赖 NumPy，可以在没有 ROS 2、AirSim 或 GPU 的机器上运行。

运行环境

Python 3.10 及以上，numpy、Pillow（requirements.txt）；
实测环境：Windows 11 10.0.26200、Python 3.12.14、NumPy 2.3.5、Pillow 12.3.0；
离线演示不需要 ROS 2 / AirSim / Unreal / GPU；ROS 2 部分需 Ubuntu 22.04 + Humble。

快速运行

cd src/air/multi_uav_airspace_monitor
python -m pip install -r requirements.txt
python main.py demo

实际运行输出（results/ 是本地产物目录，不提交仓库）：

==> multi_uav_airspace_monitor
    status=critical
    uavs=4 zones=1
    minimum_separation_m=0.0 (horizon 20.0 s)
    alerts=3 conflicts=1
    conflict uav_alpha vs uav_beta: 0.00 m at 20.00 s
    critical: uav_alpha entered no-fly zone city_center_restricted
    critical: uav_beta entered no-fly zone city_center_restricted
    critical: uav_gamma entered no-fly zone city_center_restricted
    screenshot: results/demo_screenshot.png

评估自己的场景（JSON 格式见模块 README）：

python main.py check --config scenario.json

check 在 status=critical 时返回 1，safe / warning 返回 0，场景读不到或解析失败返回 2，便于直接接到脚本或 CI。demo 只要跑完就返回 0。

多无人机空域监测

演示中有 4 架无人机：uav_alpha 与 uav_beta 在中心迎头交叉， uav_gamma 进入 city_center_restricted 禁飞区，uav_delta 保持安全。圆形标记表示机间最近接近点，红色多边形表示禁飞区。

方法

电子围栏

禁飞区由二维多边形和高度层 [floor_z, ceiling_z] 定义。对每个轨迹点：

先检查高度是否在层内；
再用射线法判断水平投影是否在多边形内部（落在边界上算进入）；
若不在内部，则计算到多边形边界的距离，小于 buffer_m 时给出 warning。

机间冲突

对每一对无人机，先取两条轨迹的公共时间区间，再截取其中从公共起点开始的前 horizon_s 秒，在窗口内以固定步长插值，计算三维距离：

$d(t) = \lVert \mathbf{p}_a(t) - \mathbf{p}_b(t) \rVert_2$

取窗口内的最小值作为最近接近距离。小于 critical_distance_m 为 critical，小于 warning_distance_m 为 warning。先截取、后取最小值是有意为之：如果窗口内已经进入告警距离，而全程最小值出现在窗口之外，仍然要报出窗口内的这次接近，不能因为选中的时刻超窗就把整对无人机跳过。当前实现是短时域 CPA 监测，不替代完整的 UTM 航路调度。

minimum_separation_m 与冲突检测用同一个时间窗，因此不会出现「status=safe 但最小间隔为 0」这种自相矛盾的输出；整段公共区间的最近距离单独记在 minimum_separation_full_m，两者差得多就说明更近的接近在时间窗之外。

状态取三级：任一 critical 告警或 critical 冲突为 critical；只有 warning 级告警/冲突为 warning；其余为 safe。

输入与输出

输入是 JSON：zones 定义禁飞区，uavs 定义每架无人机的 times 和 positions （至少两个采样点、时间严格递增）。坐标统一为局部 ENU（东、北、上，米）。输出包括：

status：safe / warning / critical；
alerts：电子围栏告警；
conflicts：机间冲突、最近距离、时刻和解脱建议；
minimum_separation_m / minimum_separation_full_m：窗口内 / 整段的最近间隔；
horizon_s：本次使用的时间窗长度。

完整字段和示例见模块内的 README.md。

ROS 2 接口

节点订阅 /airspace/uav_states（std_msgs/String，JSON），发布 /airspace/alerts（std_msgs/String，JSON）。这样同一套监测逻辑可以接 AirSim、 CarlaAir、PX4 或回放数据，而不需要把仿真器客户端写进核心算法。

colcon build --packages-select multi_uav_airspace_monitor
source install/setup.bash
ros2 launch multi_uav_airspace_monitor main.launch.py

ROS 2 节点在当前 Windows 开发机上未执行；离线核心、15 个单元测试和 PNG 截图均已实际运行。ROS 2 Humble 的启动验证需要在 Ubuntu 虚拟机中完成。

验证

python -m unittest discover -s tests -v

15 个测试全部通过（约 0.04 s），覆盖多边形边界、高度层过滤、缓冲区、迎头冲突、平行安全航迹、时间窗内告警与窗口外更近的接近、非法 horizon_s、只有 warning 级冲突时的状态、minimum_separation_m 与冲突同窗口、空场景拒绝、check 命令的退出码（0/1/2），以及演示场景。

已知限制

线性插值不适用于极高机动或采样率过低的轨迹；
冲突解脱是规则建议，不是最优或可证明安全的轨迹规划；
禁飞区为垂直棱柱，复杂三维空域需要分层或体素化；
尚未实现 RViz marker 可视化。

大模型使用声明

代码、测试和文档使用 OpenAI Codex 辅助完成；冲突重建、缺陷修复与运行结果来自本机实际执行。提交者需对内容负责。