1 、现状与挑战
无人机可（kě）能引发的危（wēi）害主（zhǔ）要包括空中相撞和地面撞击，其（qí）中无（wú）人机与有人（rén）机之间的空中相（xiàng）撞是首要关注对象，为保障飞行安全目前各国对无人机的运行管理普遍（biàn）采用将无人（rén）机限制在特定的空域（yù）内（nèi）与有人机隔离运行。但随着（zhe）无人机在（zài）侦查、搜救、运输、军事等多个领（lǐng）域的广泛使用，其飞（fēi）行活动量的不断增加对空（kōng）域环境内的（de）其他飞行器以及地（dì）面（miàn）第三方带来很大的（de）安全（quán）隐患。在未来（lái）隔离运行方式将难以（yǐ）满足无人机日益增长的应用需求，无人机与有（yǒu）人机共享空域（yù）飞行是未来的发展趋势，因而防撞（zhuàng）问题也（yě）成为制约无人机（jī）发展的关键挑（tiāo）战之一。美（měi）国国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下（xià）一代空域系统（tǒng）计（jì）划（huá）指出“下一代（dài）空（kōng）域将（jiāng）着眼于利用（yòng）卫星使得航管员、飞行员、乘客、无人飞行器以及其它（tā）相（xiàng）关者能（néng）够实时地共享空域。”美国国防部也制定了（le）空域集成（chéng）计划中，计划逐（zhú）步将无人机融入共享空（kōng）域。
无人机的空（kōng）域（yù）集成（chéng），即（jí）无人机进入非隔离空域飞行与有（yǒu）人机共享空域（yù）。针对（duì）不同（tóng）类型（xíng）的使用特点，美国（guó）定义了6类空域：A类，6000-20000m，严格（gé）按（àn）空管飞行；B类，主要机场周边，低（dī）于3000m；C类,次于B的繁忙机场，低于1200m；D类,有塔台的机场，低于800m；E类，地（dì）面开（kāi）始，A-D 类外空间；G类，非管制空域。
2 、当前的检（jiǎn）测技（jì）术
目标探测是规（guī）避的基础（chǔ），无（wú）人机探测技（jì）术目前存（cún）在多（duō）种不同的（de）解决（jué）方案，根据感（gǎn）知探（tàn）测方式可以分为（wéi）合作型（xíng）和非合作型两（liǎng）大类：合（hé）作，意味着所（suǒ）有（yǒu）飞（fēi）行器可通过（guò）共同的通（tōng）信链路（lù）共享信息。非合作（zuò），则（zé）表示（shì）在天空的（de）飞行器彼此间不通信，因此（cǐ），意（yì）味着只（zhī）能采用主动检测的（de）方法。合作型（xíng）探测设（shè）备例如应（yīng）答（dá）机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机（jī）装（zhuāng）载同类设备（bèi）的飞机的（de）直接精确全面的（de）状态信息，但必须依靠通信（xìn）链路（lù）且探测目标受（shòu）限。非合作型探测设备，如雷达视（shì）觉EOIR 光电红外等非（fēi）合作型传感器能够感知（zhī）探（tàn）测视场范围（wéi）内的所有物体包（bāo）括（kuò）飞机以及地势、鸟类等非合作型目标（biāo）。
3、合作型感知探测
空中交（jiāo）通告警和防撞系统（TCAS）和广（guǎng）播式自（zì）动（dòng）相关（guān）监视（ADS-B）属于合作（zuò）型（xíng）感（gǎn）知（zhī）探测（cè）设（shè）备，能够直接精确全面的获（huò）取装载同类设备的目标（biāo）飞机（jī）的状态信息，但必须依（yī）靠通信（xìn）链路且探测目标受限。视觉（jiào）和雷达等属于非（fēi）合作型传感（gǎn）器，能够感（gǎn）知探测视场范围内的所有物（wù）体包括飞机、鸟类以及地形，但其探测性能受到（dào）无人机姿态影响而存（cún）在盲区。
3.1 空中交（jiāo）通告警和防（fáng）撞系统（TCAS）
TCAS是为减（jiǎn）少空-空（kōng）碰（pèng）撞的发生率（lǜ），从而改善飞机飞行安全（quán）的系（xì）统。TCAS最初设计是用于载人飞行（háng）；然而，同样可用于无人飞行（háng），不过，目（mù）前的价格（25,000-150,000美元）可能会妨碍TCAS在无人机（jī）领域的广泛采用（yòng）。
3.2 广播式自动相（xiàng）关监视（ADS-B）
ADS-B是一种相对较新的技术，它为防（fáng）撞提供了巨大潜力。ADS-B不仅限于空-空监视，它使用（yòng）空对地（dì）通信并具有取代二次监视雷达的潜（qián）力。使用（yòng）了类似于TCAS使用无线（xiàn）电信号发（fā）收发附近飞机的（de）信息的方式，但ADS-B的（de）一（yī）个重要且明显的区别在于（yú）其（qí）信（xìn）息交换的类型（xíng）。每架飞机应分享的信息包括三维位置、速度（dù）、航向（xiàng）、时（shí）间和意图。这（zhè）些信（xìn）息（xī）是对于防撞系统非常有（yǒu）价值。
4、非合作型（xíng）感（gǎn）知探测（cè）
非合作型探测设备（bèi），如雷（léi）达视觉EOIR 光电（diàn）红外（wài）等非合作型（xíng）传感（gǎn）器能够感知探（tàn）测视场范围内（nèi）的所有物体包括飞机以及地势、鸟类等非合作型目标。
4.1 基于视觉的防（fáng）撞探测
无源性以及（jí）对非（fēi）合作目标的鲁棒性是光电传感器的关键优势，使它们成为规避应用中非常有吸引（yǐn）力的传感器类型。与此相（xiàng）反（fǎn），在交通警报和（hé）防撞系（xì）统（tǒng）（TCAS）则更多依赖于其他（tā）合作飞（fēi）机转（zhuǎn）发自身飞（fēi）行信息（xī）的方法。
光电传感器的传感（gǎn）器技术已（yǐ）经相对（duì）成熟（shú）度，适合应用于无人机感知与规（guī）避应用。当前先（xiān）进（jìn）的光电传感器趋向于（yú）紧凑、低重量、低功率，使得（dé）它（tā）们能（néng）够应用于相（xiàng）对（duì）小（xiǎo）的无人（rén）机平台。此外，目前（qián）很容易得到支持高（gāo）速（sù）IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太网）通信接口的商用现货（COTS）产品，以（yǐ）此可以很容易地实现（xiàn）图像（xiàng）数据（jù）的（de）实时采集和高分辨率传输解决方（fāng）案。目（mù）前（qián），可（kě）利用（yòng）从相机到图像处理计算机或工作（zuò）站（zhàn）传送数字视频信（xìn）号所常用的总线标准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太网和CameraLink。光（guāng）电传感器所提（tí）供的（de）信息不仅（jǐn）仅局限于用于图像平面（miàn）内的目标检测与定位。由目标在图（tú）像平面中的（de）位置所进一步推断出的相对（duì）航向信息可以用于评估碰撞危险（恒定的相对航向对应于高风险（xiǎn），而变化率大的（de）相对航对对（duì）应于低风险）。此外，也可从（cóng）中得到常用于控制目（mù）的（de）距离信息并用于飞机机动。相关研究表明，以光电传（chuán）感器为基础的感知和（hé）规避系统获（huò）得监管机（jī）构批准的可（kě）能性最大。但是，光（guāng）电传感方法（fǎ）仍面临（lín）诸多问题。其中（zhōng）最显著（zhe）的（de）挑战源自于空中环境的不可预测和不断变化的性质。特别是，对于可见光（guāng）光（guāng）谱的光电传感器，检测算法必须能够处理（lǐ）各（gè）种图像的背景（从蓝色天（tiān）空云到杂乱的（de）地面）、各（gè）种照明条件，以及（jí）可能（néng）的图像伪影（例如镜（jìng）头眩光）。光电传感方法的另一个（gè）问题是存在图像（xiàng）抖动噪声。由于受到不可预知的气（qì）动干扰和无人（rén）机的机动（dòng），加剧了相（xiàng）机传感器的图像抖动。对于图像平面的检测算（suàn）法，图像（xiàng）抖动引入（rù）不希（xī）望的噪声分量（liàng），并（bìng）对性能（néng）产生显著影响。基（jī）于飞机的状（zhuàng）态信息和（hé）图（tú）象特征的抖动补偿技术已经提出，可以减少图像（xiàng）抖动（dòng）效应，但仍不能完全消除。最后，实现光电传（chuán）感器图像数据的实时处理也是一个挑战（zhàn）。然而，随（suí）着并行处（chù）理硬件的（de）发展（例（lì）如图（tú）形处理单元（GPU）、现场可编程（chéng）门阵列（FPGA）和专用（yòng）数字信号处理器（qì）（DSP）），此问题正在得到改善（shàn）。在过去的（de）十年里，政（zhèng）府（fǔ）、大学和商业研究小组已经展示了（le）不同（tóng）成熟（shú）度的基于光电传感器感知和规（guī）避技术。其（qí）中最成熟的（de）基于光电（diàn）传感器感知和规（guī）避技术方案已经（jīng）由国防研究协会有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军研（yán）究实验室（AFRL）和航空（kōng）系统中（zhōng）心（ASC）联合完成。AEROSTAR无人机也已验（yàn）证（zhèng）能在（zài）距离（lí）大约7海（hǎi）里侦查（chá）并（bìng）跟踪不合作的通用航空器（qì）的（de）机（jī）载设备。该计划的目（mù）的是实现合作和（hé）不合作目标的防撞能力。澳大利亚的（de）航空航天自（zì）动化研究（jiū）中心（ARCAA）已（yǐ）承（chéng）接用于民用无人机的成本效益高的感知与规避系统。已经（jīng）进行了（le）闭（bì）环飞行试验，展示了原型系统自动检测入侵飞机并命令（lìng）载机（jī）自动驾驶仪（yí）进行回避动作的能力（lì）。在过去十年中，类似（sì）的研究（jiū）加（jiā）深了对光电（diàn）传感器（qì）参数（如视野）与（yǔ）系统性（xìng）能（如探测距（jù）离、检测概率（lǜ）和误报率）之间权衡的认识。例如，许（xǔ）多研究表明，在（zài）一（yī）般情况下，增大（dà）视（shì）野将减小探测距离，反之亦然。
4.2 基（jī）于雷达的防撞探测
雷达作为（wéi）一项成熟的飞机防（fáng）撞技术，其探（tàn）测范围、扫描（miáo）角速（sù）度（dù）、更（gèng）新率和信号质量等均（jun1）相对较（jiào）高。Kwag等研究了适用于低（dī）空飞行无人机防撞雷达的关键（jiàn）设（shè）计（jì）参数。其主要的技术缺陷在于大小的（de）限（xiàn）制。雷（léi）达的重量消耗大量的动力，并需要一个巨大的天线才可（kě）以发现较小的物体，天线（xiàn）越小（xiǎo），则精度越低，这（zhè）样雷达就被（bèi）限（xiàn）制在大（dà）型的无人平台上。在小（xiǎo）型化方面，丹佛大学无人（rén）系（xì）统（tǒng）研究所的（de）研究人员开发了一种可供无人机携带的相控阵雷达系（xì）统，重量（liàng）只（zhī）有12盎（àng）司（sī），体（tǐ）积和（hé）人的（de）手掌差不多。
5、结论
由于小型无人机受成本、重（chóng）量（liàng）、功耗等限（xiàn）制，无法采用有人机传（chuán）统（tǒng）的（de）防撞系统及传（chuán）感器系（xì）统，如高精（jīng）度惯导、雷达、光电（diàn）吊舱等。因而（ér）实现小型无人机（jī）的感知与（yǔ）规避需能（néng）力面临着更多的挑战（zhàn）。（稿源：南（nán）京（jīng）领（lǐng）航无人机（jī））
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