1 、现（xiàn）状与挑战
无人（rén）机可能引发的危害主要包括空中（zhōng）相撞和地面撞击，其中无人（rén）机与有人机之间的空中（zhōng）相撞（zhuàng）是首要关（guān）注（zhù）对象，为（wéi）保（bǎo）障（zhàng）飞（fēi）行安全目前各国对无人机（jī）的运（yùn）行管（guǎn）理普遍采用将无人机限制在特定的空域（yù）内与有（yǒu）人机隔离运行。但（dàn）随着无人（rén）机在侦查、搜救、运输、军事等多个领域的（de）广泛使用，其飞行活动量的不（bú）断增（zēng）加对空域环（huán）境内的其他飞（fēi）行器以及地面（miàn）第三方（fāng）带来很大的安全隐患。在未来（lái）隔离运行方式将难以满足无人机日（rì）益增长（zhǎng）的应用（yòng）需求，无人机与有人机（jī）共（gòng）享空域飞（fēi）行是未（wèi）来的发展趋势（shì），因而防撞问题（tí）也成为制约无人机发展的关键挑战之一。美（měi）国国家（jiā）空（kōng）域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系统计划指（zhǐ）出“下一代（dài）空域将着眼（yǎn）于利用卫星使（shǐ）得航管员、飞行员、乘客、无人飞行器以及（jí）其（qí）它相（xiàng）关者能够实（shí）时地共享空域。”美国国防部（bù）也（yě）制定（dìng）了（le）空域集成计划中，计划逐步（bù）将无人（rén）机（jī）融入共享空域。
无人机的（de）空域集成，即无（wú）人（rén）机进（jìn）入（rù）非隔离空（kōng）域飞行与有人机共（gòng）享（xiǎng）空域。针对不（bú）同类型的使用特点，美（měi）国定义（yì）了（le）6类空域：A类，6000-20000m，严（yán）格按空管飞行；B类，主要机场（chǎng）周边，低于3000m；C类,次于B的繁忙机场（chǎng），低于1200m；D类,有塔台的机场，低于800m；E类，地面开始，A-D 类外（wài）空间；G类，非管制（zhì）空域。
2 、当前的检（jiǎn）测（cè）技术
目标探测（cè）是规避的基础（chǔ），无人（rén）机探测技术目前存（cún）在多种不同的解决（jué）方案，根据（jù）感知探测方式可以分（fèn）为合（hé）作型和非合作型两大类：合作，意味着所有飞行器可通过共同的通（tōng）信链路共享信息（xī）。非（fēi）合作，则表示在天空的飞行器彼（bǐ）此间不（bú）通信，因（yīn）此，意（yì）味（wèi）着只能采用主动检测的方法。合作（zuò）型探测（cè）设备例如（rú）应答机TCAS 以及ADS-B 广播式自动（dòng）相关监视（shì）系（xì）统能够获取目标飞（fēi）机装（zhuāng）载同类设备的飞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目标受限。非合（hé）作型探测设备，如雷达视觉EOIR 光电（diàn）红外（wài）等非合作型传感器能够感知探测视场范围内（nèi）的所（suǒ）有物体（tǐ）包括飞机（jī）以及地势、鸟（niǎo）类等非合（hé）作型目（mù）标。
3、合作（zuò）型感知探测
空（kōng）中交通告警和防撞系统（TCAS）和广播式（shì）自动相（xiàng）关监视（ADS-B）属于合（hé）作型感知探（tàn）测设备，能够直接精确全面的获取装载同（tóng）类（lèi）设备的目标飞机的状态（tài）信息，但必须依靠通信链路且探测目标受限。视觉和雷（léi）达等属于非合作型传感器，能够感知探测视场范围内的（de）所有（yǒu）物体包括飞机（jī）、鸟类以及地形，但其探测性能受到无人机姿态影响而存在盲区。
3.1 空（kōng）中（zhōng）交（jiāo）通（tōng）告警和防撞（zhuàng）系统（TCAS）
TCAS是为减少空-空碰撞的发（fā）生率，从而（ér）改善飞（fēi）机飞行安全（quán）的系统。TCAS最初设计是（shì）用于载人（rén）飞行（háng）；然而，同样可用于无人飞行，不过，目前的价格（25,000-150,000美（měi）元）可能会妨（fáng）碍（ài）TCAS在无人机领域的广泛（fàn）采用。
3.2 广播式自动相关监视（ADS-B）
ADS-B是一种相（xiàng）对较新的（de）技术，它为防撞（zhuàng）提供了巨大（dà）潜力。ADS-B不仅限于空-空（kōng）监（jiān）视，它使（shǐ）用空对地通（tōng）信并具有取代二次监（jiān）视雷达的潜（qián）力（lì）。使用（yòng）了（le）类似于TCAS使（shǐ）用无线电信号发收发附近飞机的信息的（de）方式，但ADS-B的一个重要且明显的（de）区别在（zài）于其信息交换的类型。每架飞（fēi）机（jī）应分（fèn）享的信息包括三（sān）维位置、速度、航向、时（shí）间（jiān）和（hé）意图。这些信息是对于防撞（zhuàng）系统非常有价值（zhí）。
4、非合作型感（gǎn）知探测
非合作型（xíng）探测设（shè）备（bèi），如（rú）雷达视（shì）觉EOIR 光电红外等非合作型传感器（qì）能够感知（zhī）探测视（shì）场范围内的所有物体包括飞机以及（jí）地势（shì）、鸟类等非合作型（xíng）目标。
4.1 基于视觉的防撞探（tàn）测
无源（yuán）性（xìng）以及对非（fēi）合作目标的鲁棒性是光电传（chuán）感器的关键优势，使它们成为规避应用中非常有吸引力的（de）传感器类（lèi）型。与此相（xiàng）反（fǎn），在交通警报和防撞系统（tǒng）（TCAS）则更多依赖（lài）于（yú）其他合（hé）作（zuò）飞机转（zhuǎn）发（fā）自身（shēn）飞行信息的方法。
光电（diàn）传感器的传（chuán）感（gǎn）器技术已（yǐ）经相对成熟度，适合应（yīng）用于无人机感知与规（guī）避应用。当前先（xiān）进的（de）光电（diàn）传感器趋向于紧凑、低重量、低（dī）功（gōng）率，使得它们能够（gòu）应用于（yú）相对小（xiǎo）的无人机平（píng）台。此（cǐ）外，目前很容易得到支持（chí）高速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以（yǐ）太网（wǎng））通信接口（kǒu）的商（shāng）用（yòng）现（xiàn）货（COTS）产品，以此可以很容易地实现（xiàn）图像数（shù）据的实时采集和高分（fèn）辨率传输（shū）解（jiě）决（jué）方（fāng）案。目前，可利用从相机到图像处理计算机或工作站传送数字视频信号所常用的总（zǒng）线标准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千（qiān）兆以太网和（hé）CameraLink。光电传感器所提供的信息不仅仅（jǐn）局限于用于图像（xiàng）平面内的目（mù）标检测与定位。由目（mù）标在图像（xiàng）平面中的位置所进（jìn）一步推断出的（de）相对航向（xiàng）信息可以（yǐ）用于评估碰撞危险（恒（héng）定的相对航向对应于高（gāo）风险，而变化率大的（de）相对航对对应于低风险）。此（cǐ）外，也可从中得到常用于控制目的距离信息并用于飞（fēi）机机动。相关（guān）研究（jiū）表明，以光电传感器（qì）为基础的感知和（hé）规避系统获得监管机（jī）构批准的可能性最大。但是，光电传感方法仍（réng）面临诸多（duō）问题。其中最显著（zhe）的挑（tiāo）战源自于空中环境的（de）不可预测和不断变化的性质。特别是，对于可见光光（guāng）谱的光电传感器，检测算法必须能够（gòu）处理各种图像的背景（jǐng）（从蓝色天空云到（dào）杂乱（luàn）的地（dì）面（miàn））、各种照明条件，以及可能的图像伪影（例如镜头眩光（guāng））。光（guāng）电（diàn）传感方法的另一个问（wèn）题是（shì）存在图像抖动噪声。由（yóu）于受（shòu）到不可预知的气动干扰和无人机的机（jī）动，加剧了相机（jī）传感（gǎn）器的（de）图像抖动。对于图像平面的（de）检测算法，图像抖动引入不希望的（de）噪声分（fèn）量，并对性能（néng）产生显著影响（xiǎng）。基于（yú）飞机（jī）的（de）状态信息和图（tú）象特征的抖动补偿技术（shù）已经提出，可（kě）以（yǐ）减（jiǎn）少（shǎo）图像抖动效应，但仍不（bú）能完全消除。最后，实现光电传（chuán）感器图像数（shù）据的实时（shí）处理也是一个挑战。然而，随着并行（háng）处理硬件（jiàn）的发展（例如图形（xíng）处理（lǐ）单元（yuán）（GPU）、现场可编（biān）程门阵列（FPGA）和专用数（shù）字信（xìn）号（hào）处理器（DSP）），此问题正在得到改善（shàn）。在过去的十年里，政（zhèng）府、大学和商业研究（jiū）小（xiǎo）组已经（jīng）展（zhǎn）示了不同成熟度的（de）基于光电（diàn）传感器感知（zhī）和规避技（jì）术。其（qí）中最（zuì）成熟的基于光电传感器感知和规避技术方案已（yǐ）经由国防研究协会有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空（kōng）军研究实验室（AFRL）和航（háng）空系统中心（ASC）联合完成。AEROSTAR无人机也已验证能在距离大约7海里侦查并（bìng）跟（gēn）踪不合作的通用航（háng）空器的机载（zǎi）设备。该计划（huá）的目（mù）的是（shì）实现（xiàn）合作和不合作目标的防撞能力。澳（ào）大利（lì）亚的航空航（háng）天自动（dòng）化研究中心（xīn）（ARCAA）已承接用于民用无人（rén）机的成本效益（yì）高（gāo）的感知（zhī）与规避系统。已（yǐ）经进行（háng）了（le）闭环飞行试（shì）验，展示了原型系统自（zì）动检测入侵飞机（jī）并（bìng）命（mìng）令（lìng）载机自动驾驶仪进行（háng）回避动作（zuò）的能力。在过去（qù）十年（nián）中，类似的研（yán）究加（jiā）深（shēn）了（le）对光电传（chuán）感器参数（如（rú）视（shì）野）与系统性能（如探测距离（lí）、检（jiǎn）测概率（lǜ）和误报率（lǜ））之间（jiān）权衡的认识。例如，许多研究表（biǎo）明，在（zài）一般情况下，增大视（shì）野将减小探测距离，反之亦然。
4.2 基于雷达的（de）防撞探测
雷达作（zuò）为一项成（chéng）熟的飞机（jī）防撞技术（shù），其探测范围、扫描角速度、更新率和（hé）信号质量等均相对较高。Kwag等研究了适用于低空飞（fēi）行无人（rén）机防撞雷达的关键设计参（cān）数。其主要的技术（shù）缺陷在于大小（xiǎo）的（de）限制（zhì）。雷达的（de）重量消耗大（dà）量的动力，并需要一个（gè）巨大的天线才可以发（fā）现较小的物（wù）体（tǐ），天线（xiàn）越小（xiǎo），则精度越低，这样雷达就被限制在（zài）大型的（de）无人（rén）平台上。在小型（xíng）化方（fāng）面，丹佛大学无人系统研究所（suǒ）的研（yán）究人员开发了（le）一种可供无人机携带的（de）相控阵（zhèn）雷达系统，重量只有12盎（àng）司，体积和人的（de）手（shǒu）掌差不多。
5、结（jié）论
由于小型无人（rén）机受成本、重量（liàng）、功（gōng）耗等限（xiàn）制，无法采用有人机传统的（de）防撞（zhuàng）系统（tǒng）及传感（gǎn）器系统，如高精度惯（guàn）导、雷达、光（guāng）电吊（diào）舱等。因（yīn）而实现小型（xíng）无人机的感知与规避（bì）需能力面临（lín）着更（gèng）多的（de）挑（tiāo）战。（稿源：南京领航（háng）无（wú）人机（jī））
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