1 、现（xiàn）状与挑战

    无人机可能引（yǐn）发的危害主（zhǔ）要包（bāo）括空（kōng）中相（xiàng）撞和地面撞（zhuàng）击，其（qí）中（zhōng）无人（rén）机（jī）与有人（rén）机之间的空中相撞是（shì）首要关注对（duì）象（xiàng），为保障飞（fēi）行安全目前各国对无人机的运（yùn）行（háng）管理普遍采用将无人（rén）机限制在特定的（de）空域内与有人机隔离运行。但（dàn）随着无人机在侦（zhēn）查、搜救、运输、军事等（děng）多个领（lǐng）域的（de）广泛使用（yòng），其飞行（háng）活动（dòng）量的不断增加（jiā）对（duì）空域环境（jìng）内（nèi）的其他飞（fēi）行器以及地面第三方带来很（hěn）大的安全隐患。在未（wèi）来隔离运行方式将难以满足无人机（jī）日益增长的应用需求，无人机与有人机共享空域飞行是未来的发展趋势，因而（ér）防撞问题也成为制约无人机发展的关键挑战之一。美（měi）国国家空（kōng）域系统（tǒng）(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系统计划指出“下一代空域将（jiāng）着眼于利用卫（wèi）星使（shǐ）得航管员、飞行员（yuán）、乘客、无人飞行器以及其它相（xiàng）关者能够实（shí）时地共享空域。”美国国防部也制定（dìng）了空域（yù）集成（chéng）计划中，计划逐步将无人机（jī）融入共享（xiǎng）空域。

    无人机（jī）的（de）空域集成，即无人机进入非隔离（lí）空（kōng）域飞行与有人（rén）机共享空域（yù）。针对不同（tóng）类型的使（shǐ）用特（tè）点，美国定义（yì）了6类空域：A类，6000-20000m，严格按空管飞行；B类，主要机场周边，低于3000m；C类,次（cì）于B的繁忙（máng）机场，低于1200m；D类,有塔台的机场（chǎng），低于800m；E类，地面开始，A-D 类外空间；G类（lèi），非管制空域。

    2 、当前的检（jiǎn）测技术

    目标探测（cè）是（shì）规避的（de）基础，无人机探测技术目前存在多（duō）种不（bú）同（tóng）的解决方案，根据感知探测方（fāng）式可以分为合作型和非合作型两大类：合作，意味着所有飞（fēi）行器可（kě）通过共同的通信链路共（gòng）享信息。非合作，则表示（shì）在（zài）天空的飞（fēi）行器彼此间（jiān）不通信（xìn），因此，意味着只能（néng）采用主动检测的方法。合作型探测设备例（lì）如应答机（jī）TCAS 以及ADS-B 广播式自动相（xiàng）关监视（shì）系统能够获取目标飞（fēi）机装载同类设（shè）备（bèi）的飞（fēi）机的直接精确全面（miàn）的状态（tài）信息（xī），但必须依靠通信链路且（qiě）探测目标受限（xiàn）。非合（hé）作型探测设备，如雷（léi）达视（shì）觉EOIR 光电红外等非合作型传感器能够感知探测视（shì）场范围内的（de）所有（yǒu）物体（tǐ）包（bāo）括飞机（jī）以及地势、鸟类等非合作（zuò）型目标（biāo）。

    3、合作型感（gǎn）知探测

    空中交通告警和防撞系统（TCAS）和广（guǎng）播式自（zì）动相（xiàng）关监（jiān）视（ADS-B）属于合作型（xíng）感（gǎn）知探（tàn）测设备，能够直接（jiē）精（jīng）确全面的获取（qǔ）装载同类（lèi）设备的（de）目标（biāo）飞机的状（zhuàng）态信息，但必须依靠通信链路（lù）且探测（cè）目标受限（xiàn）。视觉和雷达等属于非（fēi）合作型（xíng）传感（gǎn）器，能够感知探测视场范围内的所（suǒ）有物体包括飞机、鸟类（lèi）以及（jí）地形，但（dàn）其探测性能受到无人机姿态影响而存在盲区。

    3.1 空中交通（tōng）告（gào）警和防撞系统（TCAS）

    TCAS是为减少空-空碰撞的发生率，从（cóng）而（ér）改善飞机飞行安全（quán）的系（xì）统。TCAS最初设计是用于载人飞（fēi）行；然而，同样可用于无人飞行，不（bú）过，目前（qián）的价格（25,000-150,000美（měi）元）可能会妨碍TCAS在无人机领域的广泛采用。

    3.2 广播（bō）式自动相关监视（ADS-B）

    ADS-B是一种相对（duì）较新的技术，它为（wéi）防撞提供了巨大潜（qián）力。ADS-B不（bú）仅限于空-空监视，它使用空对地通信（xìn）并（bìng）具有（yǒu）取代二次监（jiān）视（shì）雷（léi）达的潜力。使用了类似于TCAS使用无线电（diàn）信号发收发附近飞（fēi）机的信息（xī）的方式，但（dàn）ADS-B的（de）一个重要且明显的区别在于其信息交（jiāo）换（huàn）的类型。每（měi）架飞机应分享（xiǎng）的信（xìn）息包括（kuò）三维位置、速度、航向、时间和意图。这些信（xìn）息是对于防撞系统非常有价值。

    4、非合（hé）作型感知探测

    非合作（zuò）型探测设备，如雷达（dá）视觉EOIR 光电红外等非合作型（xíng）传感器能够感知探测视场（chǎng）范围内的所有物体包括飞机以及地势、鸟类等非合作型目（mù）标。

    4.1 基（jī）于（yú）视觉的防撞探测

    无源性以及对非合作目标的鲁棒性是光电传（chuán）感器（qì）的关键优势，使它（tā）们成（chéng）为（wéi）规避应（yīng）用中非常（cháng）有（yǒu）吸引力的传感（gǎn）器类（lèi）型。与此相（xiàng）反（fǎn），在交通警报和防（fáng）撞系统（TCAS）则更多（duō）依赖（lài）于其他合作飞机转发自（zì）身（shēn）飞行信（xìn）息的方法。

    光电传（chuán）感器（qì）的传感器技术已经相对成熟度，适合应用于无人（rén）机感知（zhī）与规避（bì）应用。当前先进的光（guāng）电传感器趋向于紧（jǐn）凑、低（dī）重（chóng）量、低功率，使得（dé）它们能（néng）够应用（yòng）于相对小的无人机平台。此外，目前很容（róng）易（yì）得到支持高速IEEE1394和（hé）IEEE802.3-2008（千兆以太网）通信接口的商用现（xiàn）货（huò）（COTS）产（chǎn）品，以此可以很容（róng）易地实现图像数据的实时采（cǎi）集和（hé）高分辨率传输（shū）解决方案。目前，可利用从相机到图像处理（lǐ）计算机或（huò）工作站传送（sòng）数字视（shì）频信号所常用的（de）总（zǒng）线标准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆（zhào）以太（tài）网（wǎng）和CameraLink。光电传感器所提供（gòng）的（de）信息（xī）不仅仅局（jú）限于用于图（tú）像平面内的目（mù）标检测（cè）与定（dìng）位。由目标（biāo）在图像平面中的（de）位（wèi）置所进一步推断出的（de）相对航向信息可以（yǐ）用于评估碰（pèng）撞危险（恒定的相对航（háng）向对应于高风险（xiǎn），而（ér）变化率大的相对（duì）航对对应（yīng）于（yú）低（dī）风（fēng）险（xiǎn））。此外，也（yě）可从中得（dé）到（dào）常用（yòng）于控（kòng）制目的距（jù）离信（xìn）息并用于飞机（jī）机动（dòng）。相（xiàng）关研究表（biǎo）明，以光（guāng）电传（chuán）感（gǎn）器为（wéi）基础（chǔ）的（de）感知和（hé）规避系统获得（dé）监管机构（gòu）批准的可能性最大（dà）。但是，光电传感方法仍面临诸多问题。其中最显著的挑战源自于空中环境（jìng）的不可预测和不断变化的性质。特别是（shì），对于可见光光谱的光电传感器，检测算法（fǎ）必（bì）须能（néng）够处理各种图像的背景（从蓝色天（tiān）空（kōng）云到（dào）杂乱的地面）、各种照（zhào）明条件，以及可能（néng）的图像伪（wěi）影（例（lì）如镜（jìng）头眩光）。光电传感方法的另一个问题是存在图像抖（dǒu）动噪声。由于受到不可预知的气动干扰和无人机的机动，加（jiā）剧了相机传（chuán）感（gǎn）器（qì）的图像抖动。对于图像平面的检测算法，图像抖动引入不希望的噪声分量（liàng），并对（duì）性（xìng）能产生显著影响。基于飞机的状（zhuàng）态信息和图象特征（zhēng）的抖（dǒu）动补偿技术已经提出，可以减少（shǎo）图（tú）像（xiàng）抖（dǒu）动效应，但仍不（bú）能（néng）完全消（xiāo）除。最后，实现光电传感（gǎn）器（qì）图像数据的实时（shí）处理（lǐ）也是一个挑战。然而，随着（zhe）并行处理硬件的发展（zhǎn）（例如图（tú）形处理单（dān）元（GPU）、现场可编程门阵（zhèn）列（FPGA）和（hé）专用（yòng）数（shù）字信号处理器（DSP）），此问题正在（zài）得到改善。在过去的十（shí）年（nián）里，政府（fǔ）、大学和商业研（yán）究小组已经展示了不同（tóng）成熟度的基于光电传感器感知和规避技术。其（qí）中最成熟的基于光电传感（gǎn）器感（gǎn）知和规避技术方案已经由国（guó）防研究协会（huì）有（yǒu）限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军研（yán）究实验（yàn）室（AFRL）和（hé）航空系（xì）统中心（ASC）联合完成。AEROSTAR无人（rén）机也已验证能在距离大约（yuē）7海里侦查并跟踪不合（hé）作的通用（yòng）航空器的机载设（shè）备。该计（jì）划的目的是实现合作和不（bú）合作目（mù）标的（de）防撞能力（lì）。澳大利亚（yà）的航空航天自动化研究中（zhōng）心（ARCAA）已承接用于民用无人机的成本效（xiào）益高的感（gǎn）知（zhī）与规避系统（tǒng）。已经进行了闭环（huán）飞（fēi）行试验，展示了（le）原（yuán）型系（xì）统自动检测入侵飞机并命（mìng）令（lìng）载机自动（dòng）驾驶仪进行回避（bì）动（dòng）作的能（néng）力（lì）。在过去十年中（zhōng），类似的研究（jiū）加深了对光电传感器参数（如视野）与（yǔ）系统性能（如探测距（jù）离、检测概率（lǜ）和误报率）之间权（quán）衡（héng）的认识。例如，许多研究表明，在一般情况下，增大（dà）视野将减（jiǎn）小探测距离，反之（zhī）亦然。

    4.2 基于雷达的防撞探测

    雷达作为一项成熟的（de）飞（fēi）机防撞技术，其探（tàn）测范（fàn）围（wéi）、扫描角速度、更新率和信号质量等均相对较（jiào）高。Kwag等研究了（le）适用于低空飞行（háng）无人机防（fáng）撞雷达（dá）的（de）关键设计参数。其主（zhǔ）要的（de）技（jì）术缺陷（xiàn）在于大小的限（xiàn）制。雷达（dá）的重量消耗大量的动（dòng）力，并需要一个巨大（dà）的天（tiān）线（xiàn）才可以发现较（jiào）小的物（wù）体，天线越小，则精度越低，这样雷达就（jiù）被限（xiàn）制在大型的（de）无（wú）人平（píng）台上。在（zài）小型化方（fāng）面（miàn），丹（dān）佛大（dà）学无人系统研究所的研究人员开发了一种可供无人机携带的相控阵（zhèn）雷达系统，重量只有12盎司，体（tǐ）积和（hé）人的手掌差不多（duō）。

    5、结论（lùn）

    由于小型无人机受成本、重（chóng）量、功耗（hào）等限制，无法采（cǎi）用有（yǒu）人机（jī）传统的防撞（zhuàng）系统及传感器（qì）系统（tǒng），如（rú）高精（jīng）度惯导、雷达、光电（diàn）吊舱等。因而（ér）实现小（xiǎo）型无人机（jī）的感知与规避需能力面临着（zhe）更多的挑战。（稿源：南京领航（háng）无人（rén）机）

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