1 、现状与挑战
无人机可能引（yǐn）发的（de）危害主要包括空中相（xiàng）撞和地面（miàn）撞（zhuàng）击，其中无（wú）人（rén）机（jī）与有人机之间的（de）空（kōng）中相撞是首要关注对象，为保障飞行（háng）安全（quán）目（mù）前（qián）各国对无人机的运行（háng）管理普遍采用（yòng）将无人机限制在特定的空域（yù）内与有人机隔（gé）离运行（háng）。但随着无人机在侦查（chá）、搜救、运输、军事等多个领域的广泛使（shǐ）用，其飞行活动量的不断（duàn）增（zēng）加对空域环境内（nèi）的其他飞行器（qì）以（yǐ）及地面第（dì）三方（fāng）带来（lái）很大（dà）的安全隐患。在未来隔离运（yùn）行方式（shì）将难以满足无人机日益增（zēng）长的（de）应用需求（qiú），无（wú）人（rén）机（jī）与有人机（jī）共享空域飞行是未来的发（fā）展趋势，因而防（fáng）撞（zhuàng）问题也（yě）成（chéng）为制约无人机发展的（de）关键挑（tiāo）战之（zhī）一。美国国家空域系统(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系统计划指出“下一代空（kōng）域将着眼于利用卫星使得航管（guǎn）员、飞（fēi）行（háng）员、乘客（kè）、无（wú）人飞行器以及其它相关者能够实时地共享（xiǎng）空域。”美国国（guó）防（fáng）部也制（zhì）定了空域集成计（jì）划中，计（jì）划逐步将无人机（jī）融入共享空域（yù）。
无（wú）人（rén）机的空域集成（chéng），即无人机（jī）进入非隔离空域飞行与有（yǒu）人机共享空域。针（zhēn）对不同类型的使用特点（diǎn），美国（guó）定义了6类空域：A类，6000-20000m，严格按空管（guǎn）飞行；B类，主要机场（chǎng）周边（biān），低（dī）于3000m；C类,次于（yú）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（miàn）开始，A-D 类（lèi）外空间；G类，非管制空域。
2 、当前的检测技术
目标探测是（shì）规避的基础，无人机探（tàn）测技术目前存在多种不同的解（jiě）决方案，根据感知探测（cè）方式可以（yǐ）分为合作型和非合作型（xíng）两大类：合作，意味（wèi）着（zhe）所有飞（fēi）行（háng）器可（kě）通过共同（tóng）的通信链路共享信（xìn）息。非合作，则表示在（zài）天空的飞行器彼（bǐ）此间不通信，因此，意味着只能采（cǎi）用主动（dòng）检测的方法。合作型探测设（shè）备例如应（yīng）答机TCAS 以及ADS-B 广播式自动（dòng）相（xiàng）关（guān）监视系统能（néng）够获取目标飞机装载同类设备（bèi）的飞机（jī）的（de）直接精确全面的状态信息，但必须依靠（kào）通信链路且探测目标受限。非（fēi）合（hé）作型探测设备，如雷达视觉EOIR 光（guāng）电红（hóng）外（wài）等非合（hé）作型传感器能够感（gǎn）知探（tàn）测（cè）视场范围内的所有物体（tǐ）包括飞机以及地（dì）势、鸟类等非合作型目标。
3、合作型感知（zhī）探测（cè）
空（kōng）中交通告警和防撞系统（tǒng）（TCAS）和广播式自动相关监（jiān）视（ADS-B）属（shǔ）于合作型感知探（tàn）测设（shè）备，能够直接精确全面（miàn）的获取装（zhuāng）载同类设备（bèi）的目（mù）标飞机（jī）的状态信息，但必须依靠通信链路且探测（cè）目（mù）标受限。视觉（jiào）和雷达（dá）等属于非合作型传感器，能够（gòu）感知探测视场范围内的所（suǒ）有（yǒu）物（wù）体包（bāo）括飞机、鸟类以及地形，但（dàn）其探测性能受到无人机姿（zī）态影响而存在盲区。
3.1 空（kōng）中交通告警和（hé）防撞系统（TCAS）
TCAS是为减少空-空碰撞的发（fā）生率（lǜ），从而改善飞机飞（fēi）行安全（quán）的（de）系（xì）统（tǒng）。TCAS最初设计是用于载人飞行；然而，同样可用于无人飞（fēi）行，不（bú）过（guò），目前的价格（25,000-150,000美元）可能会妨碍TCAS在无人机领域的广泛采用（yòng）。
3.2 广播式（shì）自动相关（guān）监视（ADS-B）
ADS-B是一种（zhǒng）相对（duì）较新的技术，它为防撞提供了巨大潜力。ADS-B不仅限（xiàn）于空-空监视（shì），它使（shǐ）用空对地通信（xìn）并具有取代二次监（jiān）视雷达（dá）的潜力。使用了类似于TCAS使用无线电（diàn）信号（hào）发（fā）收发附近飞机的信（xìn）息的方式，但ADS-B的一（yī）个重要且明显的区别在于其信（xìn）息交换的（de）类（lèi）型。每架（jià）飞（fēi）机（jī）应分（fèn）享的信息包括三维位置、速度、航向、时间和意（yì）图。这（zhè）些信息（xī）是对于防撞系（xì）统非常有价值。
4、非合作型感知（zhī）探测
非合作（zuò）型探测设备，如雷达视觉EOIR 光电红外等（děng）非合（hé）作型传感器能够（gòu）感知探测视场范围内（nèi）的（de）所有物（wù）体包（bāo）括（kuò）飞机以及地势、鸟类（lèi）等非（fēi）合作型目标。
4.1 基于视觉的（de）防撞（zhuàng）探测
无源性以及对非合作目标（biāo）的鲁（lǔ）棒性是光电传（chuán）感器的关键优势，使它们成为（wéi）规避应用中非常有吸（xī）引力的传感（gǎn）器（qì）类型。与（yǔ）此相反，在交通警报（bào）和防撞系统（TCAS）则更多依赖于（yú）其他合作飞机转发自身飞行信息的方法。
光（guāng）电传感器（qì）的传感（gǎn）器技术已（yǐ）经相对（duì）成熟度，适合应用于（yú）无人机感知与规避应用。当前先进的光（guāng）电传感器趋向于（yú）紧（jǐn）凑、低重量、低（dī）功（gōng）率（lǜ），使得（dé）它们能够应用于（yú）相对（duì）小（xiǎo）的无（wú）人机平（píng）台。此外，目前（qián）很容易得（dé）到（dào）支（zhī）持高速（sù）IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆（zhào）以太（tài）网）通信接口的商用现货（huò）（COTS）产品，以此可以（yǐ）很容易（yì）地实现图像数据的实时采（cǎi）集和高分辨率传输解决方案。目（mù）前（qián），可利用（yòng）从相机（jī）到（dào）图（tú）像处理计算机或工作站传送（sòng）数字视频信（xìn）号（hào）所（suǒ）常（cháng）用的总线标准（zhǔn）：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太网和CameraLink。光电（diàn）传感器所提供的信息不仅仅局限于用于图像平面内（nèi）的目标检测与定位（wèi）。由（yóu）目（mù）标（biāo）在图像平面中的位置（zhì）所（suǒ）进一步推（tuī）断出的相对航向信（xìn）息可以用于评（píng）估碰撞（zhuàng）危险（恒定的相对（duì）航向（xiàng）对应于高风险（xiǎn），而变（biàn）化率（lǜ）大（dà）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机机（jī）动。相关研究（jiū）表明，以（yǐ）光（guāng）电传（chuán）感器为（wéi）基础（chǔ）的感（gǎn）知和规避系（xì）统获得监管（guǎn）机构批准的可能性最（zuì）大。但是，光电传感方（fāng）法仍（réng）面临（lín）诸多问题。其中（zhōng）最显著的挑战源自于空中（zhōng）环境的不可预测（cè）和不断变化的性（xìng）质。特别（bié）是，对于可见光光谱的光电传感器，检（jiǎn）测算法必（bì）须能够处理各种图像（xiàng）的背（bèi）景（从蓝色天空云到杂乱的地面）、各种照明（míng）条件，以及可能（néng）的图像伪影（例如镜头眩光）。光电传感方法的（de）另一个（gè）问（wèn）题是存在图像抖（dǒu）动噪声。由于受到不可（kě）预（yù）知的气动干扰（rǎo）和无（wú）人机的机（jī）动，加剧了相机（jī）传感器的图像抖动。对于图像平面的检测（cè）算法，图（tú）像抖动引入不希望的噪声（shēng）分（fèn）量，并对性能（néng）产生（shēng）显著（zhe）影响。基于飞机的状态信息和图象特征的抖动补偿技术（shù）已经提出（chū），可以减少（shǎo）图（tú）像（xiàng）抖动效应，但仍（réng）不能完全消除（chú）。最（zuì）后（hòu），实（shí）现光电传感器图像数据的（de）实时处理也是一（yī）个挑（tiāo）战。然而，随着并行处理硬件（jiàn）的发展（例如图形处（chù）理（lǐ）单元（yuán）（GPU）、现场（chǎng）可编（biān）程门阵列（FPGA）和（hé）专用（yòng）数字信号处（chù）理器（DSP）），此问题正在得到改（gǎi）善。在过去的十年里（lǐ），政（zhèng）府、大学和商业研究小组已经展示了不同成熟度的基（jī）于光电传感器感知（zhī）和规避技术。其中最成熟（shú）的基于光电传感器感知和规（guī）避技术方（fāng）案已经由国防研究协会（huì）有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空（kōng）军研（yán）究实验室（AFRL）和（hé）航空系统中心（ASC）联合完（wán）成。AEROSTAR无人机也已验证能在距离（lí）大约7海里侦查并跟踪（zōng）不合作（zuò）的通用航空器（qì）的机载设（shè）备。该计划的目的（de）是实现合作和不合作目（mù）标的防撞能力。澳大利亚的航空（kōng）航天自动化研究中心（ARCAA）已（yǐ）承接用于（yú）民（mín）用无人机（jī）的（de）成本效益高的（de）感（gǎn）知与规避系统。已经进行了闭环飞行试验（yàn），展示了原型（xíng）系统自动检测入侵飞机并（bìng）命令载机自动（dòng）驾（jià）驶仪（yí）进行（háng）回避动作的（de）能力。在过去十（shí）年中，类似的研究（jiū）加深了对（duì）光电传感器参数（如视野（yě））与系统（tǒng）性能（如探测距离、检测概率和误报（bào）率）之间（jiān）权衡的（de）认识（shí）。例如，许多（duō）研究（jiū）表明，在一般情况（kuàng）下，增大视（shì）野将（jiāng）减小探测距（jù）离，反之亦然。
4.2 基（jī）于雷达的防撞探测
雷达作为一项成熟的飞机（jī）防撞（zhuàng）技术，其探测（cè）范围、扫描角速度、更新率和（hé）信号质量等均相对较（jiào）高。Kwag等（děng）研（yán）究了适用于低（dī）空飞行（háng）无人（rén）机防撞（zhuàng）雷（léi）达（dá）的关键设计参数。其（qí）主要的技（jì）术缺陷在于大小（xiǎo）的（de）限制。雷（léi）达的重（chóng）量消耗大量的动力，并（bìng）需要一个（gè）巨大（dà）的（de）天线才可（kě）以发现较（jiào）小的物体，天（tiān）线越小，则精度越低，这样（yàng）雷达就被限制在大型的（de）无人平台上。在小型化方面，丹佛大学无人系统研究所的研究人（rén）员开发了（le）一种（zhǒng）可（kě）供无人机携带的（de）相控阵雷达系统，重量只有12盎司，体积和人的手掌差不多。
5、结论（lùn）
由于小（xiǎo）型无（wú）人机受成（chéng）本、重量、功耗等限制，无法采用有人机传统的防撞（zhuàng）系统及（jí）传感器（qì）系统，如高（gāo）精度惯导、雷达、光电吊（diào）舱等。因而实（shí）现小型无人机的感知与（yǔ）规（guī）避需能力面临着更多的（de）挑战。（稿源：南京领航无（wú）人机（jī））
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