1 、现状与挑战
无（wú）人机可能（néng）引（yǐn）发的危害主要包括（kuò）空（kōng）中相撞和地（dì）面撞击，其中无人机与有人机之间的（de）空中相撞（zhuàng）是首要关注对象，为保障飞行（háng）安全目前各国对无人机的运行管理普遍（biàn）采（cǎi）用（yòng）将无人（rén）机限制在（zài）特定的空（kōng）域（yù）内（nèi）与有人机隔离运行。但（dàn）随着无人机（jī）在（zài）侦（zhēn）查、搜救、运输、军事等多个领域的广（guǎng）泛使（shǐ）用，其飞行活动量的（de）不（bú）断增加对空（kōng）域环境内的其他飞行器（qì）以及地面（miàn）第三方带来很大的安全隐患（huàn）。在未来隔离运行方（fāng）式将难以满（mǎn）足无人机日（rì）益增长的应用需求，无人机与有人机共（gòng）享空（kōng）域飞行（háng）是未来的发展趋势（shì），因而防撞（zhuàng）问题也成为制约（yuē）无人机发展的关（guān）键（jiàn）挑战之一。美国国家空域（yù）系统(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系统计划（huá）指（zhǐ）出“下（xià）一代空域将着眼于（yú）利（lì）用卫星使得航（háng）管员、飞行员、乘客、无人飞（fēi）行器以及其它相关者能（néng）够实时地共享空域。”美国国防部也制定了空域（yù）集成计划中，计划逐（zhú）步将无（wú）人机融入共享空域。
无人机的空域集（jí）成，即（jí）无人机进入非隔离空域飞行与有人机共享（xiǎng）空域。针对不同类型的使用特点，美（měi）国定义了6类空域：A类，6000-20000m，严格（gé）按空管飞行（háng）；B类，主要（yào）机场周边，低于3000m；C类,次于B的繁（fán）忙机场，低于（yú）1200m；D类,有塔（tǎ）台的（de）机场，低于（yú）800m；E类，地面开始，A-D 类外（wài）空间（jiān）；G类（lèi），非管制（zhì）空域。
2 、当前的检测技术
目标探测是规避（bì）的基（jī）础，无（wú）人机探测技术目前存在多种不同的解决方案，根据感知（zhī）探测方（fāng）式可以分为合作型和非合作型两大（dà）类：合作（zuò），意味（wèi）着所有飞（fēi）行器可通过共同的通信链（liàn）路共享信息。非合（hé）作，则表示在天空的飞行器（qì）彼此间不通信，因此，意味（wèi）着只（zhī）能采用主动检测的方法。合作（zuò）型（xíng）探测设备（bèi）例如应答机（jī）TCAS 以及ADS-B 广播式自动相关监视（shì）系统能够获取目标飞机装（zhuāng）载同（tóng）类设（shè）备的飞机的直接精确全面的状态信息，但必（bì）须依靠通信链路且探测目标受限（xiàn）。非（fēi）合（hé）作（zuò）型探测设备（bèi），如雷（léi）达视觉EOIR 光电（diàn）红（hóng）外（wài）等非合作型传感器能（néng）够（gòu）感知探测（cè）视场范围内的所有物体包括飞机以及地势、鸟类等非合作型目标。
3、合作型感知探测
空中交通（tōng）告警和防（fáng）撞系统（TCAS）和广（guǎng）播式自动相关监视（ADS-B）属（shǔ）于合作型感知探测设备（bèi），能够直接精（jīng）确全面的获取装载同类设（shè）备的（de）目标飞（fēi）机的状态信息，但必须依靠通信链路且探测（cè）目标受限。视觉和雷（léi）达等属（shǔ）于非（fēi）合（hé）作型传感（gǎn）器，能（néng）够感（gǎn）知（zhī）探测（cè）视（shì）场范围（wéi）内的所有物体（tǐ）包括飞机、鸟类以及（jí）地形（xíng），但其探测性能（néng）受（shòu）到无人机姿态影响（xiǎng）而存在盲区。
3.1 空中（zhōng）交通告警和防撞系（xì）统（TCAS）
TCAS是（shì）为减少空-空碰（pèng）撞（zhuàng）的发生率，从而（ér）改善飞（fēi）机飞（fēi）行（háng）安（ān）全的系统。TCAS最（zuì）初设计是用于（yú）载人飞行；然（rán）而（ér），同（tóng）样可（kě）用于（yú）无人飞行（háng），不过，目前的（de）价格（25,000-150,000美元）可能会妨碍TCAS在无人（rén）机领（lǐng）域的广泛采用。
3.2 广播式自（zì）动相关监视（ADS-B）
ADS-B是一种相对（duì）较新的（de）技（jì）术，它为防（fáng）撞（zhuàng）提供了巨大潜（qián）力。ADS-B不仅限于空-空监视（shì），它使用（yòng）空（kōng）对地通信并具有取代二次监（jiān）视（shì）雷达的潜力。使用（yòng）了类似（sì）于TCAS使用无（wú）线电信号发收发附近（jìn）飞机（jī）的信息的方式，但ADS-B的一个重（chóng）要且（qiě）明显的区（qū）别在于其信（xìn）息交换的类型。每架飞机（jī）应分享的信息（xī）包括三维位置、速度、航向、时间和意图。这些信（xìn）息是对于（yú）防撞系统非常有价值。
4、非合作型感知探测
非合作型（xíng）探测设备，如雷达（dá）视觉（jiào）EOIR 光电红（hóng）外等非合作型传感器能够感知（zhī）探测视场范围内的所有物体包括飞机以（yǐ）及地势、鸟类等非合作型目标。
4.1 基于视觉的防撞探测
无源性以及对非合作目（mù）标的鲁棒性是光电传感器的（de）关（guān）键优势，使它们成为规（guī）避（bì）应用（yòng）中非常（cháng）有吸引力的传感器类型。与（yǔ）此（cǐ）相反，在交（jiāo）通（tōng）警报和防撞系统（TCAS）则更多（duō）依赖于（yú）其他合作飞机转发（fā）自身飞（fēi）行信息的方法。
光电传感器的传感器（qì）技（jì）术已经相对（duì）成熟度（dù），适合（hé）应用于（yú）无人机感知与（yǔ）规避应用。当前（qián）先进的光电传感器（qì）趋向（xiàng）于紧凑（còu）、低重（chóng）量、低功（gōng）率（lǜ），使得它们能（néng）够应用于相对小的无人机平台。此外，目（mù）前很容易得到支持（chí）高速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太网）通信接口的商用现货（COTS）产品，以此可以很容易地（dì）实现图像数据的实（shí）时采集和（hé）高分（fèn）辨率传输解决方案。目前，可利用从相机到（dào）图像（xiàng）处理计算（suàn）机或工作站传送数字（zì）视频（pín）信号所常用的总（zǒng）线标准（zhǔn）：火线（xiàn）（IEEE1394）、USB2.0、千（qiān）兆以太网和CameraLink。光（guāng）电传感器所提供的信息不仅仅局（jú）限于用于图（tú）像平（píng）面内的（de）目标检测与定（dìng）位。由目标在图像（xiàng）平面中的位置所进一步推断出（chū）的（de）相对航向信（xìn）息可以（yǐ）用于评估碰撞（zhuàng）危险（恒（héng）定（dìng）的相（xiàng）对航向（xiàng）对应于高风险，而（ér）变（biàn）化率大的相对航对（duì）对（duì）应（yīng）于低风险）。此外，也可（kě）从（cóng）中得到常用于控制目的距离信息并用于飞机机（jī）动。相关研究（jiū）表明，以光电传（chuán）感器（qì）为基础的感知和规避系统获（huò）得监（jiān）管机构（gòu）批准的可能性最大。但是，光电传感方法仍面（miàn）临诸多问题。其中最显著（zhe）的挑战源自于空中环（huán）境的（de）不可预（yù）测和不断变化（huà）的性（xìng）质。特别（bié）是，对于可（kě）见光光谱的光电传感（gǎn）器（qì），检（jiǎn）测算法必须能（néng）够处理各种图像（xiàng）的背景（从蓝色天空云到杂乱的地面）、各种照明条件，以及可能的图像伪影（例如镜头眩光）。光电传感方法的另（lìng）一个（gè）问题是存在图像抖动噪声。由于受（shòu）到不可预知（zhī）的气动干扰和无人机的机动（dòng），加剧了相（xiàng）机传（chuán）感器的图像抖动。对于图像平（píng）面（miàn）的检测算法，图像抖动（dòng）引入（rù）不希望的噪声分量，并对性能产（chǎn）生显（xiǎn）著影（yǐng）响。基于飞（fēi）机的状态信息和图象（xiàng）特（tè）征的抖动补偿技术（shù）已经（jīng）提出，可以（yǐ）减少图像抖动效应，但仍不能完全消除。最后（hòu），实（shí）现光（guāng）电（diàn）传感器（qì）图像数据的实时处理也是一个挑（tiāo）战（zhàn）。然而，随着并行处理硬件的发展（例如图（tú）形处理单元（yuán）（GPU）、现场可（kě）编程（chéng）门（mén）阵列（FPGA）和专用数（shù）字（zì）信号（hào）处理器（DSP）），此问题正在得（dé）到（dào）改善。在过去的十年里，政府、大（dà）学和商业研究小组已经（jīng）展示了不同成熟度的基于光电传感（gǎn）器感知和规（guī）避技（jì）术。其中最（zuì）成熟的基于光电传感器（qì）感（gǎn）知和规避技术方案已经由国防研（yán）究协会（huì）有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军（jun1）研究实验室（AFRL）和航空系统中心（ASC）联（lián）合完（wán）成。AEROSTAR无人机也已验证能在（zài）距离大（dà）约7海里侦（zhēn）查并跟踪（zōng）不合作的通用航空器的机载（zǎi）设（shè）备。该计划的目的是实现合（hé）作和不（bú）合作目标的防（fáng）撞能（néng）力。澳大利亚的航空（kōng）航（háng）天（tiān）自动化研究中心（ARCAA）已承接用（yòng）于（yú）民（mín）用无人机的成本效益高的（de）感（gǎn）知（zhī）与规避系统（tǒng）。已经进行了闭环飞行试验，展示了原（yuán）型系统自动检测入（rù）侵飞机并命令（lìng）载机自（zì）动驾驶（shǐ）仪进（jìn）行（háng）回（huí）避动作的能力。在过去（qù）十年中（zhōng），类似的研究（jiū）加深了对光电传感器参数（如视野（yě））与系统（tǒng）性（xìng）能（如探（tàn）测（cè）距（jù）离、检测概率和误（wù）报率）之间权衡的认（rèn）识。例如，许多研究表（biǎo）明，在一般情况下，增（zēng）大视野（yě）将减小探测距离，反之亦然。
4.2 基于雷（léi）达的防（fáng）撞探测
雷达作为一项成熟的飞机防撞技术，其探测范围、扫描角速度（dù）、更新率和信号（hào）质量等（děng）均相（xiàng）对较高。Kwag等研究（jiū）了（le）适用于低空飞行（háng）无人机防撞雷达的关键设（shè）计参（cān）数。其主要的技术（shù）缺（quē）陷（xiàn）在于大小（xiǎo）的限制。雷（léi）达（dá）的重量消耗（hào）大量的动力，并需（xū）要一个巨大的天线才（cái）可以发现较（jiào）小的物体，天线越小，则精度越（yuè）低（dī），这样雷达就被限制在大型的（de）无人平台上。在小型（xíng）化方面，丹佛大（dà）学无人系统研究（jiū）所（suǒ）的研究人员（yuán）开（kāi）发了一种（zhǒng）可供（gòng）无人机携带的相控阵雷（léi）达系统（tǒng），重量只有12盎司，体积和人的手掌差不多。
5、结论
由于小型无人机受成本、重量（liàng）、功耗等限制，无法采用有人机传统的防撞系统及传感器系统（tǒng），如高（gāo）精（jīng）度（dù）惯导（dǎo）、雷达、光电吊舱等。因而实现小型无人机的感知与（yǔ）规避需能力面临着更多的（de）挑战。（稿源：南京领（lǐng）航无人机）
咨询航拍服务可加老鹰的（de）微（wēi）信laoyingfly
|
