1 、现状与挑战（zhàn）

    无人机可能引发的危害主（zhǔ）要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人（rén）机之间的（de）空中相撞是（shì）首要关注对象，为保障飞（fēi）行安（ān）全目（mù）前各国对无人机的运行管理普（pǔ）遍采用将无人机限（xiàn）制在特定的空域内与（yǔ）有人机隔离运行（háng）。但随（suí）着无（wú）人机在侦查、搜救、运输、军（jun1）事（shì）等多个领域的广泛使用，其飞行活动（dòng）量的不断增加对（duì）空（kōng）域环境内的其他（tā）飞行器以及地面第三（sān）方带来很（hěn）大的安全隐患。在（zài）未来隔离运行方式将难以满（mǎn）足无人（rén）机日益增长的应用需求（qiú），无（wú）人机与（yǔ）有人（rén）机共享空域飞（fēi）行是（shì）未来（lái）的发展趋势，因而防（fáng）撞（zhuàng）问题也（yě）成为制约（yuē）无人机发展（zhǎn）的（de）关键挑战（zhàn）之一。美国国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的（de）下一代空域系统计划指出“下一（yī）代空域将（jiāng）着眼于利用卫星使得航管员、飞行（háng）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（měi）国（guó）国防部（bù）也制定了空域集成计（jì）划（huá）中（zhōng），计（jì）划逐（zhú）步将无人机融入共（gòng）享空域。

    无人（rén）机的空域集成，即（jí）无人机进入非隔离（lí）空域飞行与有人（rén）机共享空域。针对（duì）不同类型的使用特点，美国定（dìng）义了（le）6类空域：A类，6000-20000m，严（yán）格按空管飞行；B类，主要机场周边（biān），低于3000m；C类,次于B的繁忙（máng）机场，低于1200m；D类,有塔台的机场，低于800m；E类（lèi），地面开始，A-D 类外空间（jiān）；G类，非管制空域。

    2 、当前的检测技术

    目标（biāo）探（tàn）测是规避的基础，无（wú）人机（jī）探测（cè）技术目前存在多种（zhǒng）不同的解决方（fāng）案，根据（jù）感知探测方式可以分为合（hé）作型和非合（hé）作型两大类：合作，意味着所有飞行（háng）器可通过共（gòng）同的通信链路共享信息。非（fēi）合作，则表示在天空的飞行器彼此间不通信，因此（cǐ），意味着只能（néng）采用主（zhǔ）动检（jiǎn）测的（de）方法。合作型探（tàn）测设（shè）备例如应答机TCAS 以（yǐ）及ADS-B 广播式自动相关监视系统能（néng）够获取（qǔ）目（mù）标飞（fēi）机装载（zǎi）同类设备（bèi）的（de）飞（fēi）机的直接精确全面的状态信息，但（dàn）必须依靠通信链路且探测（cè）目标受限（xiàn）。非合作（zuò）型（xíng）探测设备，如雷（léi）达视觉（jiào）EOIR 光电红外等非（fēi）合作型传感器能够感知探测（cè）视场范围内的所有（yǒu）物体包括飞机以及地势、鸟（niǎo）类等非合作型目标（biāo）。

    3、合（hé）作型感知（zhī）探测

    空中交通告警和防撞系统（TCAS）和广播式自动相关监视（ADS-B）属于合作（zuò）型感知探测设备，能够直接精（jīng）确全面的获（huò）取装载同类设备（bèi）的目标飞机的状态信息，但必须依（yī）靠通（tōng）信链路且探（tàn）测目标受（shòu）限。视觉（jiào）和雷（léi）达等属于非合作型传感器，能够感（gǎn）知探测视场范围（wéi）内（nèi）的所有物体包括（kuò）飞机、鸟类以及地（dì）形，但其探（tàn）测性能受到无人机姿态影（yǐng）响（xiǎng）而存在盲（máng）区。

    3.1 空中（zhōng）交通（tōng）告警（jǐng）和（hé）防撞系统（TCAS）

    TCAS是为减少空-空碰（pèng）撞的（de）发生率，从而改善飞机飞行（háng）安全的（de）系统。TCAS最初设计是用于载人飞行；然（rán）而，同样可用于（yú）无人飞行，不过，目前的价（jià）格（25,000-150,000美元）可（kě）能（néng）会妨（fáng）碍TCAS在无人机领域的广泛采用。

    3.2 广播式自（zì）动相关（guān）监视（shì）（ADS-B）

    ADS-B是（shì）一（yī）种相对较新的技术（shù），它为防（fáng）撞提供了巨大潜力。ADS-B不仅限于空-空监（jiān）视，它使用空对地通信并具有取代二（èr）次监视雷（léi）达的（de）潜力。使（shǐ）用（yòng）了类似于（yú）TCAS使用无线电信号发收（shōu）发附（fù）近飞机的信息（xī）的方（fāng）式，但ADS-B的一个（gè）重要且明（míng）显的区别在（zài）于其信息（xī）交换的类型。每架（jià）飞机应分享的信（xìn）息（xī）包括三维（wéi）位置、速度、航向、时间和意图。这些信（xìn）息是对（duì）于防撞（zhuàng）系统非常有价值（zhí）。

    4、非合作型感（gǎn）知探测

    非合作（zuò）型探测设备，如雷（léi）达视觉EOIR 光电红外等非合作型传感器能够感（gǎn）知探测视场范围内的所（suǒ）有物体包括飞机以及地势、鸟（niǎo）类等非合作型目（mù）标。

    4.1 基（jī）于视觉的防撞探测

    无源性以及对非合作目标的鲁棒性是光电传感器的关键优势，使它们成为规避应用中非（fēi）常（cháng）有（yǒu）吸引力的传（chuán）感器（qì）类型。与此（cǐ）相反，在交通警报和防（fáng）撞系统（TCAS）则更多依赖于其他合作飞机转（zhuǎn）发自身飞行信息的方法（fǎ）。

    光电（diàn）传感器的传感器技术已经相对（duì）成熟度，适（shì）合应用于无人机感知与规避应用。当前先进的（de）光（guāng）电传感器趋（qū）向（xiàng）于紧凑、低重（chóng）量（liàng）、低功率（lǜ），使得它们能够应（yīng）用于相对小（xiǎo）的无人机平（píng）台（tái）。此（cǐ）外，目前很容（róng）易（yì）得到支持高（gāo）速（sù）IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太网（wǎng））通信接口的商（shāng）用（yòng）现货（COTS）产品，以此（cǐ）可以很容易地（dì）实现图像数据（jù）的实时采集（jí）和（hé）高分辨率传输解决方案。目前，可利用从相机到图像处理计算机或工作（zuò）站传送（sòng）数字视频（pín）信（xìn）号（hào）所常（cháng）用的总线标准：火（huǒ）线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太（tài）网和CameraLink。光（guāng）电传（chuán）感器所（suǒ）提供（gòng）的信息不仅仅局限于用（yòng）于图像平面内的目（mù）标检测与定位。由目标在图像（xiàng）平（píng）面中的位（wèi）置所进一步推断出的相对航向信息可（kě）以用于（yú）评估碰撞危险（恒（héng）定的相对（duì）航向对应于（yú）高风险，而变化率（lǜ）大的相对航对对应（yīng）于低风险）。此外，也可从中得到（dào）常用于控制（zhì）目的距离信息并用于飞机机动（dòng）。相关研究表明（míng），以光电传（chuán）感（gǎn）器为基（jī）础的感知和（hé）规避系统获得监管机构批（pī）准的可能性最大（dà）。但是，光电传感方法仍（réng）面临诸多问题。其中最显著（zhe）的挑（tiāo）战源自（zì）于（yú）空中环境的不可预测和不断变化的性（xìng）质。特别是（shì），对于可（kě）见光光谱的光电传感器，检测算法必（bì）须能（néng）够处理各种图像的背景（从蓝（lán）色天空云到杂（zá）乱的（de）地面）、各（gè）种照明条件，以及可能的图像伪影（例如镜头（tóu）眩光（guāng））。光电传感方法（fǎ）的另（lìng）一个问题是存在图像抖动噪（zào）声。由于受到不可预知的气（qì）动（dòng）干扰和无人（rén）机的（de）机动，加（jiā）剧了相机传感（gǎn）器的图像抖动。对于图像平（píng）面的检测算法（fǎ），图像抖动引入不希望的噪声分（fèn）量，并对性能产生显著（zhe）影响（xiǎng）。基于飞机的状态（tài）信息和图象特征的（de）抖动补偿技术已经提出，可以（yǐ）减少图像抖动效应，但仍不能完全消（xiāo）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）着并行处理硬件的发展（例如图形处理单元（GPU）、现（xiàn）场可编程门阵列（liè）（FPGA）和专用数字信（xìn）号处理器（DSP）），此（cǐ）问题正在（zài）得到改（gǎi）善（shàn）。在过（guò）去的十年里，政府、大学和商业研（yán）究（jiū）小组已经展示了不同成熟度的（de）基于光电传感器感知（zhī）和规避技术。其中最成熟的基于光电传感器感知和规避（bì）技（jì）术方案已经（jīng）由国（guó）防（fáng）研究（jiū）协会有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军（jun1）研究实验室（AFRL）和航空（kōng）系（xì）统中（zhōng）心（ASC）联（lián）合完成。AEROSTAR无人机也（yě）已验（yàn）证能在距（jù）离（lí）大约7海里侦查并跟（gēn）踪不合（hé）作的（de）通用航（háng）空器的机载设备。该计划的目的是实现（xiàn）合作和不合作目标（biāo）的（de）防撞能力。澳大利亚（yà）的航空航天自动化（huà）研究中心（ARCAA）已（yǐ）承（chéng）接（jiē）用于（yú）民用无人机的成（chéng）本效益高的感知与规避系统。已（yǐ）经进行了闭环飞行试验（yàn），展示了原型系统自动（dòng）检测入侵飞机并命令载机自动驾驶仪（yí）进（jìn）行（háng）回避动（dòng）作的能力。在过（guò）去十年中，类似的研究加深了对光电传感器（qì）参数（如视野（yě））与系（xì）统性能（如探测距离、检测概率和（hé）误报（bào）率（lǜ））之间权衡的认（rèn）识。例如，许多研（yán）究表明，在一般情况下（xià），增大（dà）视野将（jiāng）减小（xiǎo）探测距离（lí），反之亦然。

    4.2 基（jī）于雷达的防撞探测

    雷达（dá）作为一项成熟的飞机（jī）防撞技（jì）术（shù），其探测（cè）范（fàn）围（wéi）、扫描角速度（dù）、更新率和信号质量等均相对较高（gāo）。Kwag等（děng）研究了适（shì）用于低空飞行（háng）无人机防撞雷达的关键（jiàn）设计参数。其主要的（de）技术缺陷在于大小的限制（zhì）。雷（léi）达的重量（liàng）消（xiāo）耗大量的动力，并需要一个巨大的天线才可以发现（xiàn）较小的物体，天线越小，则精度越低，这样雷达就被限制在大型的无人平台上。在小（xiǎo）型化方面，丹佛大（dà）学无人系统研（yán）究所的研究（jiū）人员开发（fā）了一种可供无人机携带（dài）的（de）相（xiàng）控阵雷达系统，重量只有12盎（àng）司，体积和人的手（shǒu）掌（zhǎng）差不多。

    5、结（jié）论（lùn）

    由于小型无人机受成本、重量（liàng）、功耗等（děng）限制，无法（fǎ）采用有（yǒu）人机（jī）传统（tǒng）的防撞（zhuàng）系统及传感器系统，如高精度（dù）惯导、雷达（dá）、光电吊舱（cāng）等。因而实现小（xiǎo）型无人机的感知（zhī）与（yǔ）规避需能（néng）力面临着更多的挑战。（稿源（yuán）：南（nán）京领航无人机（jī））

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