雷鋒網(wǎng)編者按：作者Top Liu ，Aerial Robotics Ph.D，此文未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載

1 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

無人機(jī)可能引發(fā)的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人機(jī)與有人機(jī)之間的空中相撞是首要關(guān)注對(duì)象，為保障飛行安全目前各國對(duì)無人機(jī)的運(yùn)行管理普遍采用將無人機(jī)限制在特定的空域內(nèi)與有人機(jī)隔離運(yùn)行。但隨著無人機(jī)在偵查、搜救、運(yùn)輸、軍事等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，其飛行活動(dòng)量的不斷增加對(duì)空域環(huán)境內(nèi)的其他飛行器以及地面第三方帶來很大的安全隱患。在未來隔離運(yùn)行方式將難以滿足無人機(jī)日益增長的應(yīng)用需求，無人機(jī)與有人機(jī)共享空域飛行是未來的發(fā)展趨勢，因而防撞問題也成為制約無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。美國國家空域系統(tǒng)(National Airspace System, NAS)的下一代空域系統(tǒng)計(jì)劃指出“下一代空域?qū)⒅塾诶眯l(wèi)星使得航管員、飛行員、乘客、無人飛行器以及其它相關(guān)者能夠?qū)崟r(shí)地共享空域?！泵绹鴩啦恳仓贫丝沼蚣捎?jì)劃中，計(jì)劃逐步將無人機(jī)融入共享空域。

無人機(jī)的空域集成，即無人機(jī)進(jìn)入非隔離空域飛行與有人機(jī)共享空域。針對(duì)不同類型的使用特點(diǎn)，美國定義了6類空域：A類，6000-20000m，嚴(yán)格按空管飛行；B類，主要機(jī)場周邊，低于3000m；C類,次于B的繁忙機(jī)場，低于1200m；D類,有塔臺(tái)的機(jī)場，低于800m；E類，地面開始，A-D 類外空間；G類，非管制空域。

2 當(dāng)前的檢測技術(shù)

目標(biāo)探測是規(guī)避的基礎(chǔ)，無人機(jī)探測技術(shù)目前存在多種不同的解決方案，根據(jù)感知探測方式可以分為合作型和非合作型兩大類：合作，意味著所有飛行器可通過共同的通信鏈路共享信息。非合作，則表示在天空的飛行器彼此間不通信，因此，意味著只能采用主動(dòng)檢測的方法。合作型探測設(shè)備例如應(yīng)答機(jī)TCAS 以及ADS-B 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)能夠獲取目標(biāo)飛機(jī)裝載同類設(shè)備的飛機(jī)的直接精確全面的狀態(tài)信息，但必須依靠通信鏈路且探測目標(biāo)受限。非合作型探測設(shè)備，如雷達(dá)視覺EOIR 光電紅外等非合作型傳感器能夠感知探測視場范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)以及地勢、鳥類等非合作型目標(biāo)。

3 合作型感知探測

空中交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS）和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）屬于合作型感知探測設(shè)備，能夠直接精確全面的獲取裝載同類設(shè)備的目標(biāo)飛機(jī)的狀態(tài)信息，但必須依靠通信鏈路且探測目標(biāo)受限。視覺和雷達(dá)等屬于非合作型傳感器，能夠感知探測視場范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)、鳥類以及地形，但其探測性能受到無人機(jī)姿態(tài)影響而存在盲區(qū)。

3.1 空中交通告警和防撞系統(tǒng)（TCAS）

TCAS是為減少空-空碰撞的發(fā)生率，從而改善飛機(jī)飛行安全的系統(tǒng)。TCAS最初設(shè)計(jì)是用于載人飛行；然而，同樣可用于無人飛行，不過，目前的價(jià)格（25,000-150,000美元）可能會(huì)妨礙TCAS在無人機(jī)領(lǐng)域的廣泛采用。

3.2 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）

ADS-B是一種相對(duì)較新的技術(shù)，它為防撞提供了巨大潛力。ADS-B不僅限于空-空監(jiān)視，它使用空對(duì)地通信并具有取代二次監(jiān)視雷達(dá)的潛力。使用了類似于TCAS使用無線電信號(hào)發(fā)收發(fā)附近飛機(jī)的信息的方式，但ADS-B的一個(gè)重要且明顯的區(qū)別在于其信息交換的類型。每架飛機(jī)應(yīng)分享的信息包括三維位置、速度、航向、時(shí)間和意圖。這些信息是對(duì)于防撞系統(tǒng)非常有價(jià)值。

4 非合作型感知探測

非合作型探測設(shè)備，如雷達(dá)視覺EOIR 光電紅外等非合作型傳感器能夠感知探測視場范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)以及地勢、鳥類等非合作型目標(biāo)。

4.1 基于視覺的防撞探測

無源性以及對(duì)非合作目標(biāo)的魯棒性是光電傳感器的關(guān)鍵優(yōu)勢，使它們成為規(guī)避應(yīng)用中非常有吸引力的傳感器類型。與此相反，在交通警報(bào)和防撞系統(tǒng)（TCAS）則更多依賴于其他合作飛機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)自身飛行信息的方法。

光電傳感器的傳感器技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟度，適合應(yīng)用于無人機(jī)感知與規(guī)避應(yīng)用。當(dāng)前先進(jìn)的光電傳感器趨向于緊湊、低重量、低功率，使得它們能夠應(yīng)用于相對(duì)小的無人機(jī)平臺(tái)。此外，目前很容易得到支持高速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太網(wǎng)）通信接口的商用現(xiàn)貨（COTS）產(chǎn)品，以此可以很容易地實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和高分辨率傳輸解決方案。目前，可利用從相機(jī)到圖像處理計(jì)算機(jī)或工作站傳送數(shù)字視頻信號(hào)所常用的總線標(biāo)準(zhǔn)：火線（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太網(wǎng)和CameraLink。

光電傳感器所提供的信息不僅僅局限于用于圖像平面內(nèi)的目標(biāo)檢測與定位。由目標(biāo)在圖像平面中的位置所進(jìn)一步推斷出的相對(duì)航向信息可以用于評(píng)估碰撞危險(xiǎn)（恒定的相對(duì)航向?qū)?yīng)于高風(fēng)險(xiǎn)，而變化率大的相對(duì)航對(duì)對(duì)應(yīng)于低風(fēng)險(xiǎn)）。此外，也可從中得到常用于控制目的距離信息并用于飛機(jī)機(jī)動(dòng)。

相關(guān)研究表明，以光電傳感器為基礎(chǔ)的感知和規(guī)避系統(tǒng)獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的可能性最大。但是，光電傳感方法仍面臨諸多問題。其中最顯著的挑戰(zhàn)源自于空中環(huán)境的不可預(yù)測和不斷變化的性質(zhì)。特別是，對(duì)于可見光光譜的光電傳感器，檢測算法必須能夠處理各種圖像的背景（從藍(lán)色天空云到雜亂的地面）、各種照明條件，以及可能的圖像偽影（例如鏡頭眩光）。

光電傳感方法的另一個(gè)問題是存在圖像抖動(dòng)噪聲。由于受到不可預(yù)知的氣動(dòng)干擾和無人機(jī)的機(jī)動(dòng)，加劇了相機(jī)傳感器的圖像抖動(dòng)。對(duì)于圖像平面的檢測算法，圖像抖動(dòng)引入不希望的噪聲分量，并對(duì)性能產(chǎn)生顯著影響?；陲w機(jī)的狀態(tài)信息和圖象特征的抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)提出，可以減少圖像抖動(dòng)效應(yīng)，但仍不能完全消除。

最后，實(shí)現(xiàn)光電傳感器圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理也是一個(gè)挑戰(zhàn)。然而，隨著并行處理硬件的發(fā)展（例如圖形處理單元（GPU）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和專用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）），此問題正在得到改善。

在過去的十年里，政府、大學(xué)和商業(yè)研究小組已經(jīng)展示了不同成熟度的基于光電傳感器感知和規(guī)避技術(shù)。其中最成熟的基于光電傳感器感知和規(guī)避技術(shù)方案已經(jīng)由國防研究協(xié)會(huì)有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）和航空系統(tǒng)中心（ASC）聯(lián)合完成。AEROSTAR無人機(jī)也已驗(yàn)證能在距離大約7海里偵查并跟蹤不合作的通用航空器的機(jī)載設(shè)備。該計(jì)劃的目的是實(shí)現(xiàn)合作和不合作目標(biāo)的防撞能力。

澳大利亞的航空航天自動(dòng)化研究中心（ARCAA）已承接用于民用無人機(jī)的成本效益高的感知與規(guī)避系統(tǒng)[6,8]。已經(jīng)進(jìn)行了閉環(huán)飛行試驗(yàn)，展示了原型系統(tǒng)自動(dòng)檢測入侵飛機(jī)并命令載機(jī)自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行回避動(dòng)作的能力。在過去十年中，類似的研究加深了對(duì)光電傳感器參數(shù)（如視野）與系統(tǒng)性能（如探測距離、檢測概率和誤報(bào)率）之間權(quán)衡的認(rèn)識(shí)。例如，許多研究表明，在一般情況下，增大視野將減小探測距離，反之亦然。

4.2 基于雷達(dá)的防撞探測

雷達(dá)作為一項(xiàng)成熟的飛機(jī)防撞技術(shù)，其探測范圍、掃描角速度、更新率和信號(hào)質(zhì)量等均相對(duì)較高。Kwag等研究了適用于低空飛行無人機(jī)防撞雷達(dá)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。其主要的技術(shù)缺陷在于大小的限制。雷達(dá)的重量消耗大量的動(dòng)力，并需要一個(gè)巨大的天線才可以發(fā)現(xiàn)較小的物體，天線越小，則精度越低，這樣雷達(dá)就被限制在大型的無人平臺(tái)上。在小型化方面，丹佛大學(xué)無人系統(tǒng)研究所的研究人員開發(fā)了一種可供無人機(jī)攜帶的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，重量只有12盎司，體積和人的手掌差不多。

5 結(jié)論

由于小型無人機(jī)受成本、重量、功耗等限制，無法采用有人機(jī)傳統(tǒng)的防撞系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)，如高精度慣導(dǎo)、雷達(dá)、光電吊艙等。因而實(shí)現(xiàn)小型無人機(jī)的感知與規(guī)避需能力面臨著更多的挑戰(zhàn)。

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