1 、现状与挑战
无人机可能引发的危害（hài）主要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人机之（zhī）间的空（kōng）中相（xiàng）撞是首要关注对象，为保障飞行安全目（mù）前各国对（duì）无（wú）人机的运行管理（lǐ）普遍采用将（jiāng）无人机限制在特（tè）定的空域内与有人机隔离运（yùn）行。但随（suí）着无人机（jī）在（zài）侦查、搜救、运输、军事等多个领域的广泛使用，其飞行（háng）活动量的不（bú）断增加对空域环境内的（de）其他（tā）飞行器以及地面（miàn）第三（sān）方带来（lái）很（hěn）大的（de）安全隐（yǐn）患。在未来（lái）隔离运行方式将难（nán）以满足无人机日益增长的应用（yòng）需求，无（wú）人机与有人（rén）机共享空域飞行是未来的发展趋势，因而防撞问题也成为制约无人机（jī）发展的关（guān）键挑战之一。美（měi）国国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下（xià）一代空域系（xì）统计划指出“下一代空域将着眼于利用卫星使得航管员、飞行员、乘客、无人飞（fēi）行器以及其它相关者能够实时（shí）地共享空（kōng）域。”美国国防部（bù）也制定了空域（yù）集成计划中，计划逐（zhú）步将（jiāng）无人（rén）机（jī）融（róng）入共享（xiǎng）空域。
无人机的空（kōng）域集成，即（jí）无人机进入非（fēi）隔离空域飞（fēi）行（háng）与有人机共享（xiǎng）空域。针对不（bú）同类型的使用特点，美国定义了6类（lèi）空（kōng）域：A类，6000-20000m，严格按空（kōng）管飞行；B类，主要机场（chǎng）周（zhōu）边（biān），低于3000m；C类,次于（yú）B的繁忙机场，低于1200m；D类,有塔台（tái）的机场，低于（yú）800m；E类，地（dì）面开始，A-D 类外空间；G类，非管制空（kōng）域（yù）。
2 、当（dāng）前的检（jiǎn）测技术（shù）
目（mù）标探测是规避的基础，无人机探测技术目前存在多（duō）种不同的解决方（fāng）案，根据（jù）感知探测方式可以分为（wéi）合作型和非合（hé）作型两大类：合作，意味着所（suǒ）有飞行器（qì）可通过共同的通信链（liàn）路共享信息。非合作，则（zé）表（biǎo）示在天空的飞行器彼此间不通信，因此（cǐ），意味着（zhe）只能采用主动（dòng）检测的（de）方法。合作型（xíng）探测设（shè）备例如应（yīng）答机TCAS 以及（jí）ADS-B 广播式（shì）自（zì）动（dòng）相关监视系统能够（gòu）获取（qǔ）目（mù）标飞机装载（zǎi）同类设备的飞机的直接精确全面的（de）状态信息，但必（bì）须依靠通信链路且（qiě）探测目标受限。非合作型探测设备（bèi），如雷达（dá）视觉EOIR 光电红外等非合作型传感器能够感知探测（cè）视场范围内（nèi）的所（suǒ）有物（wù）体包括飞机以及地势、鸟（niǎo）类等非合作型目标。
3、合（hé）作型感知探测（cè）
空（kōng）中交通告（gào）警和防撞（zhuàng）系（xì）统（TCAS）和广播式自动相关监视（ADS-B）属于（yú）合作型感知探测（cè）设备，能够直接精确（què）全（quán）面的（de）获取（qǔ）装载同类设备（bèi）的目标飞机的（de）状态信息（xī），但必须（xū）依靠通（tōng）信链路且（qiě）探测目标受限。视觉和雷达等属（shǔ）于非合作（zuò）型传感器，能够感知探测视场范围内的所（suǒ）有物体（tǐ）包括飞机、鸟类（lèi）以及地形，但其探测（cè）性能受（shòu）到无人机姿态影响而存在盲区。
3.1 空中交通告（gào）警和（hé）防撞系统（TCAS）
TCAS是为减少空-空（kōng）碰撞的（de）发生率，从而改善飞机飞行安全的系统。TCAS最初设（shè）计是（shì）用于载人飞（fēi）行；然而，同样可用于无（wú）人飞（fēi）行，不过（guò），目前的（de）价格（25,000-150,000美元）可（kě）能会妨碍TCAS在无人机领域的广泛采用。
3.2 广播式（shì）自动相关监视（ADS-B）
ADS-B是一（yī）种相对（duì）较新的技术，它（tā）为（wéi）防撞提供了巨大潜（qián）力。ADS-B不仅限于空-空监视，它使用空对地通信并具有（yǒu）取代二次监视雷（léi）达的潜（qián）力。使用了类似于TCAS使用无线电信号发收（shōu）发（fā）附（fù）近飞机的信息的方式，但ADS-B的一个重要（yào）且明显的区别在于其信息（xī）交换的类型。每架飞（fēi）机应分享（xiǎng）的信息包括三（sān）维位置、速度、航向、时间和意（yì）图。这（zhè）些信息（xī）是对于防撞系统（tǒng）非（fēi）常（cháng）有价值（zhí）。
4、非合作型感知探测
非合作型探测设备，如雷达视觉EOIR 光电红外等非（fēi）合作型（xíng）传感器能够感（gǎn）知探测视（shì）场范围内的所有（yǒu）物体包括飞机（jī）以及地势、鸟类等非合作型（xíng）目标。
4.1 基于视觉的防（fáng）撞探测
无源性（xìng）以及（jí）对非合作（zuò）目（mù）标的鲁棒（bàng）性是光电（diàn）传（chuán）感器的关键优（yōu）势，使它们成为规避应用中非常有吸引力的传感器（qì）类（lèi）型。与此相（xiàng）反，在交通警报和防（fáng）撞系统（TCAS）则更多依赖于（yú）其他（tā）合作飞机转发自身飞行信息的方法。
光电传（chuán）感器的传感器技（jì）术已（yǐ）经相（xiàng）对成熟度，适合应用于无人机感（gǎn）知与规避应用。当前先（xiān）进的光（guāng）电传感器趋（qū）向于紧凑、低重量（liàng）、低功率，使得它们（men）能够应用于相对小的无人机平台。此外，目前（qián）很容易得到（dào）支持高速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千（qiān）兆以太（tài）网）通信接口的商用现（xiàn）货（COTS）产品，以此可以（yǐ）很（hěn）容易地实现图像数据（jù）的实时采集和（hé）高分辨率传输解决方（fāng）案（àn）。目前，可利用从相（xiàng）机到图（tú）像处理计算机或工（gōng）作站传（chuán）送数（shù）字视频信（xìn）号所常用（yòng）的总线标准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以（yǐ）太网和CameraLink。光（guāng）电传感器所提供的信息不仅仅局限于用于（yú）图像（xiàng）平面（miàn）内的目标检测（cè）与定位。由（yóu）目（mù）标（biāo）在图像平面中（zhōng）的位（wèi）置所进一（yī）步推断出的（de）相对航向信息（xī）可以用于评估碰（pèng）撞危险（恒定的相对航（háng）向对应于高风险，而变化率大的相（xiàng）对航对对应于（yú）低风险）。此外，也可从中得到常用于控制（zhì）目的距（jù）离信息并用于飞机机动（dòng）。相关研（yán）究表（biǎo）明，以光电传感器为基础的感知和（hé）规（guī）避系统（tǒng）获（huò）得监管机构批准的可能性最大。但是，光（guāng）电传感方法（fǎ）仍面临诸多问题。其（qí）中最显著的挑战（zhàn）源（yuán）自于空中环境的不可（kě）预测（cè）和不断（duàn）变化的性质。特别是，对于可见光光谱的光电（diàn）传感器，检测算法必须（xū）能够处理各种图像（xiàng）的背景（从（cóng）蓝色天空云到杂乱（luàn）的地面）、各种照（zhào）明（míng）条件，以及可能的图像伪影（例（lì）如镜头眩光（guāng））。光电传感方（fāng）法（fǎ）的（de）另一个问题是存在（zài）图像抖动噪声。由于（yú）受到不可预知的气（qì）动干扰和无人机的机动（dòng），加剧（jù）了相机传感器的图像抖动。对于图像平面（miàn）的检测算法（fǎ），图（tú）像抖（dǒu）动引入不希（xī）望（wàng）的噪声分量，并（bìng）对（duì）性能产生显著影响。基于飞（fēi）机的状（zhuàng）态（tài）信（xìn）息和图（tú）象特征的抖动补（bǔ）偿技术已经提出（chū），可以减少图像抖动效应（yīng），但（dàn）仍不能完全消（xiāo）除。最后，实现（xiàn）光电传感器图像数据的实（shí）时（shí）处（chù）理也是一个挑战。然而，随着并行（háng）处理硬件（jiàn）的发展（例如图形（xíng）处理单元（yuán）（GPU）、现（xiàn）场可（kě）编（biān）程门（mén）阵列（FPGA）和专用数字信号（hào）处理器（qì）（DSP）），此问题（tí）正在得到改（gǎi）善。在过去（qù）的十年里，政府、大（dà）学和商（shāng）业研究小组已经展（zhǎn）示了不同成熟度的（de）基于（yú）光电传（chuán）感（gǎn）器感（gǎn）知和规避技（jì）术。其（qí）中（zhōng）最（zuì）成熟的基于光电传（chuán）感器感知和规避技术方案已经由国（guó）防研究（jiū）协会有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空（kōng）军（jun1）研究（jiū）实验室（AFRL）和航空系统中心（ASC）联合完成（chéng）。AEROSTAR无人机（jī）也已验证能在（zài）距（jù）离大约7海里侦查并（bìng）跟踪不合作的（de）通用航空器（qì）的机载设（shè）备。该计划（huá）的目（mù）的是实现合作和不（bú）合作（zuò）目标的防撞能（néng）力。澳大利（lì）亚的（de）航空航天自动化研究中心（ARCAA）已（yǐ）承接（jiē）用于民用无人机的成（chéng）本效益高的感知与规避系统。已经进（jìn）行了（le）闭环飞行（háng）试（shì）验（yàn），展（zhǎn）示了原型系统自动检测入侵飞机（jī）并命令（lìng）载机（jī）自动驾驶仪进行回避动作（zuò）的能力。在过（guò）去十（shí）年（nián）中，类似的研究（jiū）加深了对光电传感器参数（如视（shì）野（yě））与系（xì）统（tǒng）性能（如探测距离、检测概（gài）率和误报率）之间（jiān）权衡的认识。例如，许（xǔ）多研究表明，在一般情况下（xià），增（zēng）大视（shì）野将减小探（tàn）测距（jù）离，反之亦（yì）然。
4.2 基于雷达（dá）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（sǎo）描角速度、更新率和（hé）信号（hào）质（zhì）量等均相对（duì）较（jiào）高。Kwag等研究了适（shì）用于低空飞行无（wú）人机防撞雷（léi）达的关键设计参数（shù）。其主要的技术缺陷在于大小的限制（zhì）。雷（léi）达的重量消耗大量的动力，并（bìng）需要一个巨大的天线才可（kě）以（yǐ）发现（xiàn）较小的物体，天线越小，则精度越低（dī），这样雷达就被限（xiàn）制在大（dà）型的无人平台上。在小型化（huà）方面，丹佛大学（xué）无人系统（tǒng）研究所的（de）研究人员开发了（le）一种可供无人机携带的相控阵（zhèn）雷（léi）达（dá）系统，重（chóng）量只有12盎司，体积和（hé）人的手（shǒu）掌差不多。
5、结论
由于小（xiǎo）型无人机受成本、重量、功耗等限制，无法采用有人机（jī）传统的防撞系统及传（chuán）感器系（xì）统，如（rú）高精度（dù）惯导、雷达（dá）、光电（diàn）吊舱等。因而实现小型无人机的感知与规避需能力面临着更多的挑战（zhàn）。（稿源：南京领航无人机）
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