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無人機避免相撞技術解析
無人機可能引發的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人機與有人機之間的空中相撞是首要關注對象，為保障飛行安全目前各國對無人機的運行管理普遍采用將無人機限制在特定的空域內與有人機隔離運行。下面是由小編為大家整理的無人機避免相撞技術解析，歡迎大家閱讀瀏覽。
無人機防止碰撞技術分析
1 、現狀與挑戰
無人機可能引發的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人機與有人機之間的空中相撞是首要關注對象，為保障飛行安全目前各國對無人機的運行管理普遍采用將無人機限制在特定的空域內與有人機隔離運行。但隨著無人機在偵查、搜救、運輸、軍事等多個領域的廣泛使用，其飛行活動量的不斷增加對空域環境內的其他飛行器以及地面第三方帶來很大的安全隱患。在未來隔離運行方式將難以滿足無人機日益增長的應用需求，無人機與有人機共享空域飛行是未來的發展趨勢，因而防撞問題也成為制約無人機發展的關鍵挑戰之一。美國國家空域系統(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系統計劃指出“下一代空域將著眼于利用衛星使得航管員、飛行員、乘客、無人飛行器以及其它相關者能夠實時地共享空域�！泵绹鴩啦恳仓贫丝沼蚣捎媱澲�，計劃逐步將無人機融入共享空域。
無人機的空域集成，即無人機進入非隔離空域飛行與有人機共享空域。針對不同類型的使用特點，美國定義了6類空域：A類，6000-20000m，嚴格按空管飛行；B類，主要機場周邊，低于3000m；C類,次于B的繁忙機場，低于1200m；D類,有塔臺的機場，低于800m；E類，地面開始，A-D 類外空間；G類，非管制空域。
2 、當前的檢測技術
目標探測是規避的基礎，無人機探測技術目前存在多種不同的解決方案，根據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檢測的方法。合作型探測設備例如應答機TCAS 以及ADS-B 廣播式自動相關監視系統能夠獲取目標飛機裝載同類設備的飛機的直接精確全面的狀態信息，但必須依靠通信鏈路且探測目標受限。非合作型探測設備，如雷達視覺EOIR 光電紅外等非合作型傳感器能夠感知探測視場范圍內的所有物體包括飛機以及地勢、鳥類等非合作型目標。
3、合作型感知探測
空中交通告警和防撞系統(TCAS)和廣播式自動相關監視(ADS-B)屬于合作型感知探測設備，能夠直接精確全面的獲取裝載同類設備的目標飛機的狀態信息，但必須依靠通信鏈路且探測目標受限。視覺和雷達等屬于非合作型傳感器，能夠感知探測視場范圍內的所有物體包括飛機、鳥類以及地形，但其探測性能受到無人機姿態影響而存在盲區。
3.1 空中交通告警和防撞系統(TCAS)
TCAS是為減少空-空碰撞的發生率，從而改善飛機飛行安全的系統。TCAS最初設計是用于載人飛行；然而，同樣可用于無人飛行，不過，目前的價格(25,000-150,000美元)可能會妨礙TCAS在無人機領域的廣泛采用。
3.2 廣播式自動相關監視(ADS-B)
ADS-B是一種相對較新的技術，它為防撞提供了巨大潛力。ADS-B不僅限于空-空監視，它使用空對地通信并具有取代二次監視雷達的潛力。使用了類似于TCAS使用無線電信號發收發附近飛機的信息的方式，但ADS-B的一個重要且明顯的區別在于其信息交換的類型。每架飛機應分享的信息包括三維位置、速度、航向、時間和意圖。這些信息是對于防撞系統非常有價值。
4、非合作型感知探測
非合作型探測設備，如雷達視覺EOIR 光電紅外等非合作型傳感器能夠感知探測視場范圍內的所有物體包括飛機以及地勢、鳥類等非合作型目標。
4.1 基于視覺的防撞探測
無源性以及對非合作目標的魯棒性是光電傳感器的關鍵優勢，使它們成為規避應用中非常有吸引力的傳感器類型。與此相反，在交通警報和防撞系統(TCAS)則更多依賴于其他合作飛機轉發自身飛行信息的方法。
光電傳感器的傳感器技術已經相對成熟度，適合應用于無人機感知與規避應用。當前先進的光電傳感器趨向于緊湊、低重量、低功率，使得它們能夠應用于相對小的無人機平臺。此外，目前很容易得到支持高速IEEE1394和IEEE802.3-2008(千兆以太網)通信接口的商用現貨(COTS)產品，以此可以很容易地實現圖像數據的實時采集和高分辨率傳輸解決方案。目前，可利用從相機到圖像處理計算機或工作站傳送數字視頻信號所常用的總線標準：火線(IEEE1394)、USB2.0、千兆以太網和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的目標檢測與定位。由目標在圖像平面中的位置所進一步推斷出的相對航向信息可以用于評估碰撞危險(恒定的相對航向對應于高風險，而變化率大的相對航對對應于低風險)。此外，也可從中得到常用于控制目的距離信息并用于飛機機動。相關研究表明，以光電傳感器為基礎的感知和規避系統獲得監管機構批準的可能性最大。但是，光電傳感方法仍面臨諸多問題。其中最顯著的挑戰源自于空中環境的不可預測和不斷變化的性質。特別是，對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問題是存在圖像抖動噪聲。由于受到不可預知的氣動干擾和無人機的機動，加劇了相機傳感器的圖像抖動。對于圖像平面的檢測算法，圖像抖動引入不希望的噪聲分量，并對性能產生顯著影響。基于飛機的狀態信息和圖象特征的抖動補償技術已經提出，可以減少圖像抖動效應，但仍不能完全消除。最后，實現光電傳感器圖像數據的實時處理也是一個挑戰。然而，隨著并行處理硬件的發展(例如圖形處理單元(GPU)、現場可編程門陣列(FPGA)和專用數字信號處理器(DSP))，此問題正在得到改善。在過去的十年里，政府、大學和商業研究小組已經展示了不同成熟度的基于光電傳感器感知和規避技術。其中最成熟的基于光電傳感器感知和規避技術方案已經由國防研究協會有限公司(DefenseResearchAssociates,Inc.(DRA))、空軍研究實驗室(AFRL)和航空系統中心(ASC)聯合完成。AEROSTAR無人機也已驗證能在距離大約7海里偵查并跟蹤不合作的通用航空器的機載設備。該計劃的目的是實現合作和不合作目標的防撞能力。澳大利亞的航空航天自動化研究中心(ARCAA)已承接用于民用無人機的成本效益高的感知與規避系統。已經進行了閉環飛行試驗，展示了原型系統自動檢測入侵飛機并命令載機自動駕駛儀進行回避動作的能力。在過去十年中，類似的研究加深了對光電傳感器參數(如視野)與系統性能(如探測距離、檢測概率和誤報率)之間權衡的認識。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 基于雷達的防撞探測
雷達作為一項成熟的飛機防撞技術，其探測范圍、掃描角速度、更新率和信號質量等均相對較高。Kwag等研究了適用于低空飛行無人機防撞雷達的關鍵設計參數。其主要的技術缺陷在于大小的限制。雷達的重量消耗大量的動力，并需要一個巨大的天線才可以發現較小的物體，天線越小，則精度越低，這樣雷達就被限制在大型的無人平臺上。在小型化方面，丹佛大學無人系統研究所的研究人員開發了一種可供無人機攜帶的相控陣雷達系統，重量只有12盎司，體積和人的手掌差不多。
5、結論
由于小型無人機受成本、重量、功耗等限制，無法采用有人機傳統的防撞系統及傳感器系統，如高精度慣導、雷達、光電吊艙等。因而實現小型無人機的感知與規避需能力面臨著更多的挑戰。
無人機感知技術避讓分析
有人機上的飛行員可通過“看見-規避”的方式來判斷當前態勢，針對威脅做出決策并完成規避工作以保證飛行安全，對于無人機采用的則是“感知-避讓”技術。感知避讓過程可劃分為環境態勢感知、飛行沖突預測和飛行沖突解脫三個部分：無人機通過自身攜帶的傳感器對當前空域內的環境進行探測，利用通信網將周圍態勢向合作目標進行傳輸，系統預測未來一段時間內的飛行路線上是否存在飛行沖突，自動生成決策指令并執行規避動作以應對突發威脅，確保飛行安全。
一、無人機空中態勢感知方法
不同的傳感器可探測感知的目標不同，根據無人機所攜帶使用的傳感器類別可將無人機態勢感知方法分為合作型和非合作型兩種。
合作型感知探測
合作是指無人機與周圍的航空器同屬一方，它們之間互相通信，能夠通過共同的通信鏈路共享當前空域的態勢信息。比如空中交通告警與防撞系統（TCAS）和廣播式自動相關監視系統（ADS-B）等。TCAS主要由應答機、收發機、告警計算機和告警顯示裝置等組成，該設備昂貴，主要裝載在有人機上；ADS-B是一種相對較新的技術，該系統有信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示設備組成，通過精確實時的信息交互可為無人機提供決策引導，實現感知避讓。
非合作型感知探測
非合作表示無人機與周圍的航空器或物體之間沒有通信關系，無法共享各自的狀態信息，需采取主動探測的方式。雷達和視覺傳感器等是目前常用的非合作型探測設備。雷達是利用電磁波進行目標探測的電子設備，在防止航空器相撞上的研究應用已較為成熟，其探測范圍和精度與雷達的天線大小有關，天線越大則范圍越遠、精度越高。光電傳感器技術也比較成熟，且具有無緣性和魯棒性等特點，與其他設備相比較有明顯的優勢。
二、無人機飛行沖突預測方法
無人機飛行沖突預測是在周圍環境進行感知并獲得當前態勢的基礎上采取某種預測方法對未來一段時間內的飛行狀態作出推測，判斷是否存在飛行沖突，是無人機感知避讓的關鍵環節，目前，主要預測方法有概率分析法和幾何分析法。
概率分析法
概率分析是通過建立概率性沖突預測模型來預測判斷航空器在未來一段時間內是否存在飛行沖突。Lygeros PJ 和Prandini M提出了短期預測和中期預測兩種模型：短期預測模型是預測未來幾秒到幾分鐘內的飛行情況，此時若存在飛行沖突，則必須通過執行相應規避動作；中期預測模型則是用來對未來數十分鐘內的飛行情況進行預測，判斷將來時間內有無飛行沖突，若存在飛行沖突則通過防撞算法進行機動以避免發生難以控制的短期沖突。由于概率分析法是采取數學計算的方法來求解飛行沖突可能發生的概率，計算量較大，現有嵌入式計算機的處理速度尚不能完全滿足實時計算的要求，因而概率性沖突預測法在實際中的應用受到很大的限制。
幾何分析法
幾何分析法是指利用幾何方法建立確定性沖突預測模型，通過劃設保護區等方法判斷航空器之間是否存在沖突威脅。李彬等人考慮了航空器飛行途中隨機因素和探測設備誤差的影響，通過選取橢球壯保護區模型建立了常速模型和沖突探測模型，運用卡爾曼濾波的方法對航空器的航跡進行預測，排除了不可能發生沖突的航空器進而減少了計算量。幾何分析法簡單直觀，計算量小，可以滿足實際需要。但目前對幾何分析法的研究大多在水平范圍或垂直方向上的二維空間，局限性較大。
三、無人機飛行沖突解脫方法
無人機感知避讓的最終目的是化解飛行沖突，在無人機自主預測到飛行沖突前，必須立即依據解脫方法進行機動，保證無人機與其他航空器的飛行安全。目前沖突解脫方法主要有離散型解脫方法與連續解脫方法兩種。
離散型解脫方法
離散型方法是指通過對計劃航路點的調整，在盡可能保持原有航線的基礎上得到最大可能的無沖突飛行路線。大部分研究者采用基于遺傳算法或粒子群算法尋優，得到有利航線（求解速度快、省油等約束下）。使用離散型解脫方法可以滿足無人機正常飛行隊安全距離的要求，且能夠很好地處理少量航空器間的飛行沖突，但在解決大量航空器間的飛行矛盾時顯露弊端。
連續型解脫方法
目前連續型解脫方法的研究主要是針對二維情況下的合作型目標，包括勢場法、路徑規劃法和幾何方法等。勢場法將生活中的吸引和排斥現象應用到航跡規劃中，計劃航路點對無人機是吸引作用，吸引無人機朝著目標方向飛行，同時，空域內的其他航空器或物體對無人機產生排斥的力，在引力和斥力的合力作用下，使無人機在盡可能保持原航線的基礎上安全飛行。無人機路徑規劃法就是指依據人物要求和周圍的環境信息等因素，事先規劃出一條從起點到終點的最優無碰撞路線。碰撞錐方法（Collision Cone Approach，CCA）是典型幾何算法的一種，CCA的基本原理是劃設一個以入侵航空器為中心的球體保護區，無人機到保護區的所有切線構成碰撞錐，調整無人機的相對速度與球體保護區相切，此時可求解無人機的最優解脫路線。
目前，無人機的防撞能力與有人機相比還存在差距，感知避讓技術還不夠成熟，沖突預測和解脫算法大多局限在雙擊和二維空間，尚不能滿足無人機在保證飛行安全的前提下與有人機共享空域的要求。今后的研究將向多數據融合、智能化、實時性的方向發展，增強無人機對周圍環境的探測能力、態勢感知能力、預測沖突和解決沖突的能力，發展機遇數據融合的多傳感器組合方式進行探測，解決三維空間內多機間的沖突問題，大幅提高無人機的防撞能力和安全水平。同時，改進和完善無人機防撞制度和體系，將制度體系與防撞技術相融合是無人機防撞工作的又一發展趨勢。
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