无人机动态电子围栏预测预警与规避方向

本项目面向施工区、临时活动区和移动风险区域等“会移动的禁飞圆柱体”。模块根据无人机和围栏当前速度，在短时域内预测最近接近距离，提前输出 CLEAR / WARNING / CRITICAL / BREACH，并给出限制围栏的编号、最近接近时间和二维规避方向。

与仓库已有空域模块的区别：

• no_fly_zone_check 主要检查给定点是否位于禁飞区；
• multi_uav_airspace_monitor 面向多架无人机的静态多边形围栏和机间冲突；
• 本模块只处理单架无人机与移动圆形临时围栏的相对运动预测，可直接生成提前预警。

1. 预测方法

在预测时域 $H$ 内假设无人机和围栏保持当前速度。相对位置为

$$\mathbf r = \mathbf p_z - \mathbf p_u,\qquad \mathbf v = \mathbf v_z - \mathbf v_u$$

最近接近时刻为：

$$t^* = \operatorname{clip}\left( -\frac{\mathbf r\cdot\mathbf v}{\|\mathbf v\|^2}, 0, H \right)$$

预测净空为：

$$c = \|\mathbf r(t^*) - \mathbf v_z t^* + \mathbf v_u t^*\| - R_z$$

其含义是无人机到围栏边界的距离。默认判定：

存在多个围栏时，按最严重状态和最小净空选取限制围栏。规避方向由预测最近点处“无人机位置减围栏中心”的径向向量归一化得到。

2. ROS 2 接口

模块只提供预警和单位规避方向，不直接发送速度或航向指令。

3. 构建与运行

source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install --packages-select uav_dynamic_geofence_guard
source install/setup.bash
ros2 launch uav_dynamic_geofence_guard main.launch.py duration:=18

查看：

ros2 topic list | grep uav_geofence
ros2 topic echo /uav_geofence/assessment
ros2 topic echo /uav_geofence/advice

评估 CSV 默认写入 /tmp/uav_dynamic_geofence_runtime.csv。

4. Humble 虚拟机实测

2026-11-10 在 Ubuntu 22.04.5 / ROS 2 Humble 的 VMware 虚拟机中执行：

Starting >>> uav_dynamic_geofence_guard
Finished <<< uav_dynamic_geofence_guard [0.64s]
Summary: 1 package finished [0.80s]

VM 内 9 项 unittest 全部通过。ros2 launch 实际启动动态围栏仿真器和预警节点，连续运行 18 秒并记录 90 条有效评估。

实际状态变化：

CLEAR → WARNING → CRITICAL → BREACH → CRITICAL → WARNING → CLEAR

实际状态首次进入 BREACH 时预测净空约 -1.39 m，之后继续下探，整轮记录的最低值约 -2.11 m（见 CSV 和曲线）；随后围栏轨迹弯回并逐渐远离，系统恢复到 CLEAR。

5. 限制

1. 围栏被简化为二维移动圆形，尚未支持三维、多边形或按高度变化的动态空域。
2. 预测假设短时间内速度恒定，急转弯、加减速和通信延迟会影响最近接近距离。
3. 风险区域与轨迹由确定性仿真生成，不是真实航管数据。
4. 规避向量只表示初始方向，后续仍需接入局部轨迹规划、速度约束和飞控安全边界。
5. 不能替代适航认证的电子围栏设备。

6. 大模型使用声明

使用 OpenAI Codex 辅助完成代码、测试、文档和运行图生成；作者已逐项复核代码、参数和结果，并对提交内容、数据真实性和后续维护负责。