1 、现（xiàn）状（zhuàng）与挑战（zhàn）

    无人机（jī）可能引发的危害主要包括空中相撞和地（dì）面撞击，其（qí）中无人机与有人机之间的空（kōng）中（zhōng）相撞是首要关注对象，为（wéi）保（bǎo）障飞（fēi）行安全目前（qián）各国对无人机的运行管（guǎn）理普遍采用（yòng）将无人（rén）机限制（zhì）在（zài）特定的空域内与（yǔ）有人（rén）机隔离运行。但随着（zhe）无人机（jī）在侦查（chá）、搜救、运输、军事等多（duō）个（gè）领域（yù）的广泛使用，其飞行活动量的（de）不断增加对空域（yù）环境内的其他（tā）飞（fēi）行器以及（jí）地面第（dì）三方带来很大（dà）的安全隐患。在未来隔离运（yùn）行方式将难以满（mǎn）足无（wú）人（rén）机日益增长的应用（yòng）需求（qiú），无人机与有人机共享空域飞行是未（wèi）来的（de）发展趋势，因而防撞问题也成为制约无人机发展的关键挑战之一。美（měi）国（guó）国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系（xì）统计划指出“下一（yī）代（dài）空域将着眼于利用卫（wèi）星使得航管（guǎn）员（yuán）、飞行员、乘（chéng）客、无人飞行器以及其它相关者（zhě）能够实时地（dì）共享（xiǎng）空（kōng）域（yù）。”美（měi）国国（guó）防部也制定了空域集成（chéng）计划中，计划（huá）逐步将无人（rén）机融入（rù）共享空域。

    无人机的空域集成，即（jí）无人机进入非隔离空域飞行与有人机共享（xiǎng）空域。针（zhēn）对不同类型的使用特（tè）点，美国定（dìng）义（yì）了6类空域：A类，6000-20000m，严格按空管飞行；B类，主要机（jī）场周边（biān），低于3000m；C类,次于B的繁（fán）忙机场，低于1200m；D类（lèi）,有（yǒu）塔台的机场（chǎng），低于800m；E类（lèi），地面开始，A-D 类（lèi）外（wài）空间；G类（lèi），非管制空域。

    2 、当前的检测（cè）技术

    目标探测是规（guī）避的基础（chǔ），无（wú）人机探测技术目前存在多种不同的解决方案（àn），根（gēn）据（jù）感知（zhī）探测（cè）方式可以（yǐ）分为（wéi）合作型（xíng）和非合（hé）作型两大类：合作，意味着所（suǒ）有飞行器可通（tōng）过（guò）共同（tóng）的通信链路共享（xiǎng）信息。非合作，则表示（shì）在天空的（de）飞行器彼此间不通信，因此，意味着只能采用主动检测的方法。合作型探测（cè）设备例如（rú）应答机TCAS 以及ADS-B 广播式自（zì）动相（xiàng）关监视系统（tǒng）能够获取目（mù）标飞（fēi）机装载同类设备的飞机的直接精确全（quán）面的状态信（xìn）息（xī），但（dàn）必须依靠（kào）通（tōng）信链路且探测目（mù）标（biāo）受限（xiàn）。非合作（zuò）型探测设备，如雷（léi）达视觉EOIR 光电红外（wài）等非合作型传感器能够感知探测视（shì）场（chǎng）范围内的所有物体包（bāo）括（kuò）飞机以及地势、鸟类等非合作型（xíng）目标。

    3、合作型感知探（tàn）测

    空中交通告警和防撞（zhuàng）系统（TCAS）和广播式自动相关监视（ADS-B）属于合作型感知探（tàn）测（cè）设备，能（néng）够直接（jiē）精确全面的获（huò）取装载同类设备（bèi）的目（mù）标（biāo）飞机的状态（tài）信息，但必须依（yī）靠通信链路且探测目标（biāo）受限。视觉和雷（léi）达等属于非合作型传感器，能（néng）够（gòu）感（gǎn）知探测视（shì）场范围内的所有物体包括飞机、鸟类以及地（dì）形（xíng），但其探（tàn）测性能（néng）受到无（wú）人机姿态影响而存在（zài）盲区。

    3.1 空中交（jiāo）通告警和防撞系统（tǒng）（TCAS）

    TCAS是为减少空-空碰撞的发生率，从而改善飞机飞行安全的系（xì）统。TCAS最初设计是用于载人飞行；然而（ér），同（tóng）样可（kě）用于无人飞（fēi）行，不过，目（mù）前的价格（25,000-150,000美元（yuán））可能会妨碍TCAS在无人机领域（yù）的广泛（fàn）采（cǎi）用（yòng）。

    3.2 广播式自动相（xiàng）关（guān）监视（ADS-B）

    ADS-B是一种相对较新的（de）技术（shù），它为防撞提供了巨大潜（qián）力。ADS-B不仅（jǐn）限于空-空监视，它使用空对地通（tōng）信并具有（yǒu）取（qǔ）代（dài）二次监（jiān）视（shì）雷达的潜力。使用了类似于TCAS使用无（wú）线电信（xìn）号发收（shōu）发附近飞（fēi）机的信息的（de）方式，但ADS-B的一个重要且明显的区别在于其信息交换的（de）类型。每架飞机应（yīng）分享的信息包括（kuò）三维（wéi）位置、速度、航（háng）向、时间和意图（tú）。这些信息是对于防（fáng）撞（zhuàng）系（xì）统非常有价值。

    4、非合（hé）作（zuò）型感知探测

    非合作型（xíng）探（tàn）测设备（bèi），如雷达视觉EOIR 光（guāng）电红外等非（fēi）合作型传感器能够感知探测视场范围内的所有物体包括飞机以（yǐ）及地势、鸟（niǎo）类等（děng）非（fēi）合作型目标。

    4.1 基（jī）于视觉的防撞（zhuàng）探测

    无源性以及对非合作目标的鲁棒性是光（guāng）电（diàn）传感（gǎn）器的关键优势，使它们成为规避应（yīng）用中非常（cháng）有吸引力的传感器（qì）类型。与此相反，在交通警报和防撞系统（TCAS）则更多依赖于其他（tā）合作（zuò）飞机（jī）转发自（zì）身飞行（háng）信息的方法。

    光电传感器的传（chuán）感器技术已经相对成熟度，适合应用（yòng）于（yú）无（wú）人机感知（zhī）与规避应（yīng）用（yòng）。当前（qián）先进（jìn）的光电传感器趋（qū）向（xiàng）于（yú）紧凑、低重量、低（dī）功（gōng）率（lǜ），使得（dé）它们能够应用于相对小的无人机平台。此外，目前很容易（yì）得（dé）到支持（chí）高速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千（qiān）兆以太网）通（tōng）信接（jiē）口的（de）商（shāng）用现货（COTS）产品，以（yǐ）此可以很容（róng）易地实（shí）现图（tú）像数据（jù）的（de）实时采集和高分辨率（lǜ）传（chuán）输（shū）解决方案。目前，可利用从相机到图像处理计算机（jī）或工作站传送数字视频信号（hào）所常用的总线标（biāo）准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太（tài）网和CameraLink。光电传感器（qì）所提供的信（xìn）息不（bú）仅仅局限于（yú）用于图像（xiàng）平面内的目（mù）标检测与定位。由（yóu）目标在图像平面中的位置所进（jìn）一步推断（duàn）出的相对航向信息可以用于评估碰撞危险（恒定的相对航向对应（yīng）于高风险，而变化率（lǜ）大的相对航对对应于低风（fēng）险（xiǎn））。此外，也可从中（zhōng）得（dé）到（dào）常用于控制目（mù）的距离信（xìn）息并（bìng）用于飞机机（jī）动。相（xiàng）关（guān）研（yán）究表明，以光电传（chuán）感器为基础的感知和规（guī）避（bì）系统获得监管机构批准的可能性最大。但是，光电（diàn）传感方法（fǎ）仍面临诸（zhū）多问（wèn）题（tí）。其中最显著（zhe）的挑战源自于空中环境的不（bú）可预测和不断变化的性（xìng）质。特（tè）别是，对于可见光光（guāng）谱的光电传感（gǎn）器，检（jiǎn）测算法必须能够处理各种（zhǒng）图像的背景（从蓝色天空（kōng）云到（dào）杂乱（luàn）的地面）、各种照明条件（jiàn），以（yǐ）及可能（néng）的图像伪影（例如镜头眩光）。光电传感方法的另一个问题是存（cún）在图像抖动噪声。由于受到不可预知的气动干扰和无（wú）人机的机（jī）动（dòng），加剧了相（xiàng）机（jī）传感器的图像抖动。对于图像平面的检测算法（fǎ），图像抖动引入不（bú）希望的噪声分量，并对性能产（chǎn）生显著（zhe）影响（xiǎng）。基（jī）于飞机（jī）的状态信息（xī）和图象特征的抖动补偿技术已经提出，可以（yǐ）减少图（tú）像抖动效（xiào）应，但仍不能（néng）完全消除。最后，实现光电传感器图像数据的实时处理也是一个挑战（zhàn）。然而，随着并行处理硬件的发展（例如图形处（chù）理（lǐ）单元（GPU）、现场（chǎng）可编（biān）程门阵列（FPGA）和专用数字信（xìn）号（hào）处（chù）理器（DSP）），此问题正在得到改善。在过去（qù）的（de）十（shí）年里，政（zhèng）府（fǔ）、大学和商业（yè）研究（jiū）小组已经展示（shì）了（le）不（bú）同成熟（shú）度（dù）的基于光电传感器感知和（hé）规（guī）避技术。其（qí）中（zhōng）最成熟（shú）的基于光（guāng）电传感器感知（zhī）和规（guī）避技术方案已经由国防研究协（xié）会有（yǒu）限（xiàn）公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军研究实验（yàn）室（AFRL）和（hé）航（háng）空系统中（zhōng）心（ASC）联合完（wán）成。AEROSTAR无人机也已验证能在距（jù）离大（dà）约7海里侦（zhēn）查并跟踪不合（hé）作的通用航空器的（de）机载设备（bèi）。该（gāi）计划的目的是实现（xiàn）合作和不合作目标（biāo）的（de）防撞（zhuàng）能力。澳大利亚的航空航天自动化研究中（zhōng）心（ARCAA）已（yǐ）承接用于民用无人机的成本效益高的感知与规避系统（tǒng）。已（yǐ）经进行了闭环飞行（háng）试验，展示了原型系统自动检（jiǎn）测入侵飞机（jī）并命（mìng）令载机自动驾驶仪进（jìn）行回避动作的能力。在过去十年中，类似的（de）研究加深了对光电传感器参数（如视野）与系统性能（如探测距离、检测概率和误（wù）报率）之（zhī）间权衡的认识。例如，许多研究表明，在（zài）一般情况下，增大视野将减小探测距离，反之（zhī）亦（yì）然。

    4.2 基于雷达的防撞探测

    雷达作为一项成熟的飞机防撞技（jì）术，其探测（cè）范（fàn）围（wéi）、扫描角速度、更新率（lǜ）和信（xìn）号质量等均相对较高。Kwag等研究了适用于低空（kōng）飞行（háng）无人机（jī）防撞雷达的关键设计参数（shù）。其主要的技术缺陷在于（yú）大（dà）小的限制（zhì）。雷达的重量消耗大量的动（dòng）力（lì），并（bìng）需要一个巨（jù）大（dà）的天线才可以发（fā）现较小的物体，天线越小，则精度越低，这样雷达就被限制在大（dà）型（xíng）的无人平台上。在小型化方面（miàn），丹佛大学无人（rén）系统研究所的研究人员开发了一（yī）种可供无人机携带的（de）相（xiàng）控（kòng）阵（zhèn）雷达（dá）系统（tǒng），重量只（zhī）有12盎司（sī），体积和人的手掌差不多。

    5、结论

    由于小型无人（rén）机受成本、重量、功（gōng）耗等限制，无（wú）法采用（yòng）有人机（jī）传统的防（fáng）撞系统及传（chuán）感器系（xì）统，如高精度惯导、雷达（dá）、光电吊（diào）舱等。因而（ér）实现小型无人机的感知与规避需能（néng）力（lì）面临（lín）着更多（duō）的挑战。（稿源（yuán）：南（nán）京领航无人机（jī））

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