1 、现状与挑战
无人（rén）机可能引发（fā）的（de）危（wēi）害（hài）主要（yào）包括空中相撞和地面撞击，其中无人（rén）机与有人机（jī）之间的（de）空（kōng）中相撞（zhuàng）是首要（yào）关注（zhù）对象，为保（bǎo）障飞行（háng）安（ān）全目（mù）前各国对无（wú）人机（jī）的（de）运行（háng）管理普遍采用将无人机限制在特定的空域内与有人机隔离运行。但随（suí）着（zhe）无（wú）人机在侦查、搜救、运输、军事等多个领域（yù）的广（guǎng）泛使用，其飞行活（huó）动量的不断（duàn）增加对空域环境内（nèi）的其他飞行器以及地面（miàn）第（dì）三（sān）方带来很大的安（ān）全隐患。在未来隔离运行方式将难以（yǐ）满足无人（rén）机日益增（zēng）长的应用需求，无人机与有人（rén）机共享（xiǎng）空域飞行是未来的（de）发展（zhǎn）趋（qū）势，因而防撞问（wèn）题也成（chéng）为（wéi）制约无人机（jī）发展的关键挑战之一。美（měi）国国家空域系统（tǒng）(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系（xì）统计划指出“下一代空域将着眼于（yú）利用（yòng）卫星使得航管员、飞行（háng）员（yuán）、乘客、无人飞行器以及其（qí）它相关（guān）者（zhě）能够实时地（dì）共享空域。”美国国防部也制定了空域集成计划中，计划逐步将无人（rén）机（jī）融入（rù）共享空域。
无人机的空域集成，即（jí）无人机进入（rù）非隔离（lí）空域飞（fēi）行与（yǔ）有人（rén）机共享空域。针（zhēn）对不同类型（xíng）的（de）使用特点，美国（guó）定义了6类空域：A类，6000-20000m，严格按空管飞行；B类，主要机（jī）场（chǎng）周边，低于3000m；C类,次（cì）于B的繁（fán）忙（máng）机场，低于1200m；D类（lèi）,有塔台的机场，低于800m；E类，地面（miàn）开始，A-D 类外空（kōng）间；G类（lèi），非管（guǎn）制空域（yù）。
2 、当前的检测技术
目标探（tàn）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，根据感知探测方式可以分为合作（zuò）型和非合作型两大类：合作，意味着所有（yǒu）飞（fēi）行器可通过（guò）共同的通信链路共享信息。非合（hé）作，则表示在天空的飞（fēi）行器彼此间不（bú）通信（xìn），因此，意味着只（zhī）能采用主动检测的方法。合作型探（tàn）测设备例如应答机TCAS 以及ADS-B 广（guǎng）播式自动相关（guān）监视系统（tǒng）能够获取目标飞（fēi）机装载同（tóng）类（lèi）设备的飞机的直（zhí）接精确全面的（de）状态信息（xī），但必须依靠通信链路且探（tàn）测目标受限。非合作型探测设备，如（rú）雷达视觉（jiào）EOIR 光电红外等非合作型传感器能够感知探测视场范围（wéi）内的所有物体（tǐ）包括飞机以及地（dì）势、鸟类等非（fēi）合作型（xíng）目标。
3、合作型感知探测
空中（zhōng）交通告（gào）警和防撞系（xì）统（TCAS）和广播（bō）式自动相关监视（ADS-B）属于（yú）合作型感知（zhī）探测（cè）设备，能够直接精确全（quán）面的获取（qǔ）装（zhuāng）载（zǎi）同（tóng）类设备的目标飞机的状态信息（xī），但必须依靠通信（xìn）链路且探测目标受限。视觉和雷达（dá）等属于非合（hé）作型传感器，能够感知（zhī）探测视（shì）场范围内的所有（yǒu）物（wù）体（tǐ）包括飞机、鸟类以及（jí）地形，但其（qí）探测性能（néng）受到无人机姿态影响而存（cún）在盲区。
3.1 空中交通（tōng）告警和防撞系（xì）统（TCAS）
TCAS是为减少空-空碰撞的发生率，从而改善飞机飞行安全的系统。TCAS最初设（shè）计是用于载人飞行；然而，同样可（kě）用于无人飞行，不过，目前（qián）的价格（25,000-150,000美（měi）元）可能会妨碍TCAS在无人（rén）机（jī）领域的广泛（fàn）采用。
3.2 广播式自动相关监视（shì）（ADS-B）
ADS-B是（shì）一种相对较（jiào）新的技术，它为防（fáng）撞提（tí）供了巨大潜力（lì）。ADS-B不（bú）仅（jǐn）限（xiàn）于空-空监视，它使用空对地通信并（bìng）具有取代二次监视雷达的（de）潜力（lì）。使（shǐ）用了类似于（yú）TCAS使用无线电信号发（fā）收发附近飞机的信息的方（fāng）式，但（dàn）ADS-B的一个重要且明显的区别在于其信息（xī）交换的类型。每（měi）架飞机应分享的信息包括三维位置、速（sù）度、航（háng）向、时间和意图。这些信息是对（duì）于防撞系统非常有价值。
4、非合作（zuò）型感知探测
非合作（zuò）型探测（cè）设备（bèi），如雷达视觉EOIR 光电红外（wài）等非合作型传感器能够感知探测视场（chǎng）范（fàn）围内的所有（yǒu）物体包（bāo）括飞（fēi）机以及地势、鸟类（lèi）等非合（hé）作型目标。
4.1 基于视觉的防撞探（tàn）测
无源性以及对非（fēi）合作（zuò）目标的鲁棒性是光（guāng）电（diàn）传感器的关键优（yōu）势，使它们（men）成为规避应（yīng）用中非（fēi）常有吸引力的传感器类型。与（yǔ）此相反，在交通警（jǐng）报和（hé）防撞系统（TCAS）则更多（duō）依赖于其（qí）他合作飞（fēi）机转发自身飞行信息的方法。
光（guāng）电传（chuán）感器（qì）的传感器（qì）技术已（yǐ）经相（xiàng）对（duì）成熟度，适合（hé）应用于无人机感知与规避应（yīng）用。当前先进的光电传感（gǎn）器（qì）趋（qū）向于紧凑、低重（chóng）量、低功率（lǜ），使得它们（men）能（néng）够应（yīng）用于相对小的无人机平台。此外（wài），目前很容易得到支持高速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太网）通信（xìn）接口的（de）商用现（xiàn）货（COTS）产品，以（yǐ）此可以很容易地实现图（tú）像数据的实（shí）时采集和高分辨率传输解决方案（àn）。目（mù）前，可利用从相机到（dào）图（tú）像处理计算机或工作站（zhàn）传送数字视（shì）频信号（hào）所常用（yòng）的总（zǒng）线标准：火（huǒ）线（IEEE1394）、USB2.0、千兆（zhào）以（yǐ）太网和CameraLink。光电传感器所提供的信息不仅仅局限于用（yòng）于图像平面内的（de）目标检测与定位。由目标在图像平面中的位（wèi）置所进一步推断出的相对航（háng）向信息可（kě）以用（yòng）于评估（gū）碰撞危（wēi）险（xiǎn）（恒定的（de）相对航向对应于高风险，而变化（huà）率大的相对（duì）航对对应于低风险）。此外，也（yě）可从（cóng）中得到常（cháng）用（yòng）于控制目的距离（lí）信息并用于飞机机动。相关研（yán）究表明，以（yǐ）光（guāng）电（diàn）传感器为基础的（de）感知和规避系（xì）统获得监管机构批准的可能性最（zuì）大。但是，光（guāng）电传（chuán）感（gǎn）方法仍面临诸多问（wèn）题。其（qí）中最（zuì）显著的挑战源自于（yú）空中环境（jìng）的不可预测和不断变化的性质。特别是（shì），对于（yú）可（kě）见（jiàn）光光谱的光电传感器，检（jiǎn）测算（suàn）法必须能够处理各种图像的背景（从蓝色天空云到杂（zá）乱的地面）、各种照明（míng）条（tiáo）件，以（yǐ）及可能的图（tú）像伪影（例如镜头眩光）。光电传感方法的另一个问题是存（cún）在图像抖动噪声。由于受到不可（kě）预知的气动干扰和无人机的（de）机动（dòng），加剧（jù）了相（xiàng）机传感器的图像抖（dǒu）动。对于图像平面的检测算（suàn）法，图像抖动引（yǐn）入不希望的（de）噪声分量（liàng），并对（duì）性（xìng）能产生显著影响（xiǎng）。基于飞（fēi）机的状态信息和图象特征的抖动（dòng）补偿（cháng）技（jì）术已经（jīng）提出，可以减少图像（xiàng）抖动效应（yīng），但仍不能完全消除。最后，实现光电（diàn）传感器图像数据的实时处理也是（shì）一个（gè）挑战。然而，随着并行处理硬件的（de）发展（例如图形处（chù）理单元（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）和专用数字信号（hào）处（chù）理（lǐ）器（DSP）），此问题正（zhèng）在得到（dào）改（gǎi）善。在过去的十年里，政府、大学和商（shāng）业（yè）研究（jiū）小组已经展示了不同成（chéng）熟度的基于光电传感器（qì）感知（zhī）和规避技术。其中最（zuì）成熟的基于光电传感器感知和规（guī）避技术方案已经由国防研究协（xié）会有限公司（sī）（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空（kōng）军研究实验室（AFRL）和航空（kōng）系统中心（xīn）（ASC）联合完成（chéng）。AEROSTAR无人机也（yě）已验证能在距（jù）离大约7海里侦查并（bìng）跟（gēn）踪（zōng）不合作的通（tōng）用航空器的机载设备。该（gāi）计划的目（mù）的（de）是实现合（hé）作（zuò）和不合作（zuò）目标的（de）防撞能力。澳大利（lì）亚的航空航天自动化研究中心（ARCAA）已承接用于民用无人（rén）机的成（chéng）本效（xiào）益高的感知与规避系统。已经进行了（le）闭环（huán）飞行（háng）试验，展示了原型系（xì）统自（zì）动（dòng）检测（cè）入侵飞机并命令载（zǎi）机自（zì）动驾驶仪进行回（huí）避（bì）动（dòng）作的能力（lì）。在过去十（shí）年中，类似的研究加深（shēn）了对光电传感器参数（shù）（如视野）与系统（tǒng）性能（néng）（如探测距（jù）离、检测概（gài）率和误报率）之（zhī）间权衡（héng）的认识（shí）。例如，许多研究表明，在一（yī）般情况下，增大（dà）视野将减小探测距离，反之亦然（rán）。
4.2 基于雷（léi）达的（de）防（fáng）撞（zhuàng）探测
雷达作为一项成熟的飞（fēi）机防撞技术，其探测范（fàn）围、扫描角速度、更新率和（hé）信号（hào）质量（liàng）等均相对较高。Kwag等（děng）研究了适用于低空飞（fēi）行无人机防撞雷达（dá）的关（guān）键设（shè）计参（cān）数。其主要的技（jì）术缺陷在于大小的限制。雷达的重量消耗大量的动力，并需（xū）要一个（gè）巨大的天线（xiàn）才（cái）可以发现较（jiào）小的物体，天线越小，则精度越低，这样雷达就被（bèi）限（xiàn）制在大型的（de）无人平台（tái）上（shàng）。在小型化方（fāng）面，丹佛大学（xué）无（wú）人系统研究所的（de）研究人员（yuán）开发了一种可供无人机携带（dài）的相（xiàng）控阵（zhèn）雷达系统，重量只有12盎司（sī），体积和人的手（shǒu）掌差不多。
5、结论（lùn）
由于（yú）小型无人机受（shòu）成（chéng）本、重量、功耗等（děng）限制，无法采（cǎi）用有人机传统（tǒng）的防撞系统及传感器系（xì）统（tǒng），如高（gāo）精度（dù）惯（guàn）导、雷达、光电吊舱等。因而实现小型无（wú）人机的感知与规避需能力面临着更多的（de）挑（tiāo）战。（稿源：南京（jīng）领航无（wú）人机）
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