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無人機(jī)避免相撞技術(shù)解析
無人機(jī)可能引發(fā)的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人機(jī)與有人機(jī)之間的空中相撞是首要關(guān)注對象，為保障飛行安全目前各國對無人機(jī)的運行管理普遍采用將無人機(jī)限制在特定的空域內(nèi)與有人機(jī)隔離運行。下面是由小編為大家整理的無人機(jī)避免相撞技術(shù)解析，歡迎大家閱讀瀏覽。
無人機(jī)防止碰撞技術(shù)分析
1 、現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
無人機(jī)可能引發(fā)的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人機(jī)與有人機(jī)之間的空中相撞是首要關(guān)注對象，為保障飛行安全目前各國對無人機(jī)的運行管理普遍采用將無人機(jī)限制在特定的空域內(nèi)與有人機(jī)隔離運行。但隨著無人機(jī)在偵查、搜救、運輸、軍事等多個領(lǐng)域的廣泛使用，其飛行活動量的不斷增加對空域環(huán)境內(nèi)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(jī)日益增長的應(yīng)用需求，無人機(jī)與有人機(jī)共享空域飛行是未來的發(fā)展趨勢，因而防撞問題也成為制約無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。美國國家空域系統(tǒng)(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系統(tǒng)計劃指出“下一代空域?qū)⒅塾诶眯l(wèi)星使得航管員、飛行員、乘客、無人飛行器以及其它相關(guān)者能夠?qū)崟r地共享空域。”美國國防部也制定了空域集成計劃中，計劃逐步將無人機(jī)融入共享空域。
無人機(jī)的空域集成，即無人機(jī)進(jìn)入非隔離空域飛行與有人機(jī)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(yán)格按空管飛行；B類，主要機(jī)場周邊，低于3000m；C類,次于B的繁忙機(jī)場，低于1200m；D類,有塔臺的機(jī)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(dāng)前的檢測技術(shù)
目標(biāo)探測是規(guī)避的基礎(chǔ)，無人機(jī)探測技術(shù)目前存在多種不同的解決方案，根據(jù)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(shè)備例如應(yīng)答機(jī)TCAS 以及ADS-B 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)能夠獲取目標(biāo)飛機(jī)裝載同類設(shè)備的飛機(jī)的直接精確全面的狀態(tài)信息，但必須依靠通信鏈路且探測目標(biāo)受限。非合作型探測設(shè)備，如雷達(dá)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(nèi)的所有物體包括飛機(jī)以及地勢、鳥類等非合作型目標(biāo)。
3、合作型感知探測
空中交通告警和防撞系統(tǒng)(TCAS)和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)屬于合作型感知探測設(shè)備，能夠直接精確全面的獲取裝載同類設(shè)備的目標(biāo)飛機(jī)的狀態(tài)信息，但必須依靠通信鏈路且探測目標(biāo)受限。視覺和雷達(dá)等屬于非合作型傳感器，能夠感知探測視場范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)、鳥類以及地形，但其探測性能受到無人機(jī)姿態(tài)影響而存在盲區(qū)。
3.1 空中交通告警和防撞系統(tǒng)(TCAS)
TCAS是為減少空-空碰撞的發(fā)生率，從而改善飛機(jī)飛行安全的系統(tǒng)。TCAS最初設(shè)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(jī)領(lǐng)域的廣泛采用。
3.2 廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)
ADS-B是一種相對較新的技術(shù)，它為防撞提供了巨大潛力。ADS-B不僅限于空-空監(jiān)視，它使用空對地通信并具有取代二次監(jiān)視雷達(dá)的潛力。使用了類似于TCAS使用無線電信號發(fā)收發(fā)附近飛機(jī)的信息的方式，但ADS-B的一個重要且明顯的區(qū)別在于其信息交換的類型。每架飛機(jī)應(yīng)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(tǒng)非常有價值。
4、非合作型感知探測
非合作型探測設(shè)備，如雷達(dá)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(nèi)的所有物體包括飛機(jī)以及地勢、鳥類等非合作型目標(biāo)。
4.1 基于視覺的防撞探測
無源性以及對非合作目標(biāo)的魯棒性是光電傳感器的關(guān)鍵優(yōu)勢，使它們成為規(guī)避應(yīng)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(tǒng)(TCAS)則更多依賴于其他合作飛機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)自身飛行信息的方法。
光電傳感器的傳感器技術(shù)已經(jīng)相對成熟度，適合應(yīng)用于無人機(jī)感知與規(guī)避應(yīng)用。當(dāng)前先進(jìn)的光電傳感器趨向于緊湊、低重量、低功率，使得它們能夠應(yīng)用于相對小的無人機(jī)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(wǎng))通信接口的商用現(xiàn)貨(COTS)產(chǎn)品，以此可以很容易地實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時采集和高分辨率傳輸解決方案。目前，可利用從相機(jī)到圖像處理計算機(jī)或工作站傳送數(shù)字視頻信號所常用的總線標(biāo)準(zhǔn)：火線(IEEE1394)、USB2.0、千兆以太網(wǎng)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(nèi)的目標(biāo)檢測與定位。由目標(biāo)在圖像平面中的位置所進(jìn)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?qū)?yīng)于高風(fēng)險，而變化率大的相對航對對應(yīng)于低風(fēng)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(jī)機(jī)動。相關(guān)研究表明，以光電傳感器為基礎(chǔ)的感知和規(guī)避系統(tǒng)獲得監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)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(zhàn)源自于空中環(huán)境的不可預(yù)測和不斷變化的性質(zhì)。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(lán)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(yù)知的氣動干擾和無人機(jī)的機(jī)動，加劇了相機(jī)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(chǎn)生顯著影響。基于飛機(jī)的狀態(tài)信息和圖象特征的抖動補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)提出，可以減少圖像抖動效應(yīng)，但仍不能完全消除。最后，實現(xiàn)光電傳感器圖像數(shù)據(jù)的實時處理也是一個挑戰(zhàn)。然而，隨著并行處理硬件的發(fā)展(例如圖形處理單元(GPU)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和專用數(shù)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(xué)和商業(yè)研究小組已經(jīng)展示了不同成熟度的基于光電傳感器感知和規(guī)避技術(shù)。其中最成熟的基于光電傳感器感知和規(guī)避技術(shù)方案已經(jīng)由國防研究協(xié)會有限公司(DefenseResearchAssociates,Inc.(DRA))、空軍研究實驗室(AFRL)和航空系統(tǒng)中心(ASC)聯(lián)合完成。AEROSTAR無人機(jī)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(jī)載設(shè)備。該計劃的目的是實現(xiàn)合作和不合作目標(biāo)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(jī)的成本效益高的感知與規(guī)避系統(tǒng)。已經(jīng)進(jìn)行了閉環(huán)飛行試驗，展示了原型系統(tǒng)自動檢測入侵飛機(jī)并命令載機(jī)自動駕駛儀進(jìn)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(shù)(如視野)與系統(tǒng)性能(如探測距離、檢測概率和誤報率)之間權(quán)衡的認(rèn)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(dá)的防撞探測
雷達(dá)作為一項成熟的飛機(jī)防撞技術(shù)，其探測范圍、掃描角速度、更新率和信號質(zhì)量等均相對較高。Kwag等研究了適用于低空飛行無人機(jī)防撞雷達(dá)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。其主要的技術(shù)缺陷在于大小的限制。雷達(dá)的重量消耗大量的動力，并需要一個巨大的天線才可以發(fā)現(xiàn)較小的物體，天線越小，則精度越低，這樣雷達(dá)就被限制在大型的無人平臺上。在小型化方面，丹佛大學(xué)無人系統(tǒng)研究所的研究人員開發(fā)了一種可供無人機(jī)攜帶的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，重量只有12盎司，體積和人的手掌差不多。
5、結(jié)論
由于小型無人機(jī)受成本、重量、功耗等限制，無法采用有人機(jī)傳統(tǒng)的防撞系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)，如高精度慣導(dǎo)、雷達(dá)、光電吊艙等。因而實現(xiàn)小型無人機(jī)的感知與規(guī)避需能力面臨著更多的挑戰(zhàn)。
無人機(jī)感知技術(shù)避讓分析
有人機(jī)上的飛行員可通過“看見-規(guī)避”的方式來判斷當(dāng)前態(tài)勢，針對威脅做出決策并完成規(guī)避工作以保證飛行安全，對于無人機(jī)采用的則是“感知-避讓”技術(shù)。感知避讓過程可劃分為環(huán)境態(tài)勢感知、飛行沖突預(yù)測和飛行沖突解脫三個部分：無人機(jī)通過自身攜帶的傳感器對當(dāng)前空域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行探測，利用通信網(wǎng)將周圍態(tài)勢向合作目標(biāo)進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)預(yù)測未來一段時間內(nèi)的飛行路線上是否存在飛行沖突，自動生成決策指令并執(zhí)行規(guī)避動作以應(yīng)對突發(fā)威脅，確保飛行安全。
一、無人機(jī)空中態(tài)勢感知方法
不同的傳感器可探測感知的目標(biāo)不同，根據(jù)無人機(jī)所攜帶使用的傳感器類別可將無人機(jī)態(tài)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(jī)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(dāng)前空域的態(tài)勢信息。比如空中交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS）和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等。TCAS主要由應(yīng)答機(jī)、收發(fā)機(jī)、告警計算機(jī)和告警顯示裝置等組成，該設(shè)備昂貴，主要裝載在有人機(jī)上；ADS-B是一種相對較新的技術(shù)，該系統(tǒng)有信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示設(shè)備組成，通過精確實時的信息交互可為無人機(jī)提供決策引導(dǎo)，實現(xiàn)感知避讓。
非合作型感知探測
非合作表示無人機(jī)與周圍的航空器或物體之間沒有通信關(guān)系，無法共享各自的狀態(tài)信息，需采取主動探測的方式。雷達(dá)和視覺傳感器等是目前常用的非合作型探測設(shè)備。雷達(dá)是利用電磁波進(jìn)行目標(biāo)探測的電子設(shè)備，在防止航空器相撞上的研究應(yīng)用已較為成熟，其探測范圍和精度與雷達(dá)的天線大小有關(guān)，天線越大則范圍越遠(yuǎn)、精度越高。光電傳感器技術(shù)也比較成熟，且具有無緣性和魯棒性等特點，與其他設(shè)備相比較有明顯的優(yōu)勢。
二、無人機(jī)飛行沖突預(yù)測方法
無人機(jī)飛行沖突預(yù)測是在周圍環(huán)境進(jìn)行感知并獲得當(dāng)前態(tài)勢的基礎(chǔ)上采取某種預(yù)測方法對未來一段時間內(nèi)的飛行狀態(tài)作出推測，判斷是否存在飛行沖突，是無人機(jī)感知避讓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前，主要預(yù)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(yù)測模型來預(yù)測判斷航空器在未來一段時間內(nèi)是否存在飛行沖突。Lygeros PJ 和Prandini M提出了短期預(yù)測和中期預(yù)測兩種模型：短期預(yù)測模型是預(yù)測未來幾秒到幾分鐘內(nèi)的飛行情況，此時若存在飛行沖突，則必須通過執(zhí)行相應(yīng)規(guī)避動作；中期預(yù)測模型則是用來對未來數(shù)十分鐘內(nèi)的飛行情況進(jìn)行預(yù)測，判斷將來時間內(nèi)有無飛行沖突，若存在飛行沖突則通過防撞算法進(jìn)行機(jī)動以避免發(fā)生難以控制的短期沖突。由于概率分析法是采取數(shù)學(xué)計算的方法來求解飛行沖突可能發(fā)生的概率，計算量較大，現(xiàn)有嵌入式計算機(jī)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(yù)測法在實際中的應(yīng)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(yù)測模型，通過劃設(shè)保護(hù)區(qū)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(jī)因素和探測設(shè)備誤差的影響，通過選取橢球壯保護(hù)區(qū)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(jìn)行預(yù)測，排除了不可能發(fā)生沖突的航空器進(jìn)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(jī)飛行沖突解脫方法
無人機(jī)感知避讓的最終目的是化解飛行沖突，在無人機(jī)自主預(yù)測到飛行沖突前，必須立即依據(jù)解脫方法進(jìn)行機(jī)動，保證無人機(jī)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(xù)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(diào)整，在盡可能保持原有航線的基礎(chǔ)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(yōu)，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(jī)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(xù)型解脫方法
目前連續(xù)型解脫方法的研究主要是針對二維情況下的合作型目標(biāo)，包括勢場法、路徑規(guī)劃法和幾何方法等。勢場法將生活中的吸引和排斥現(xiàn)象應(yīng)用到航跡規(guī)劃中，計劃航路點對無人機(jī)是吸引作用，吸引無人機(jī)朝著目標(biāo)方向飛行，同時，空域內(nèi)的其他航空器或物體對無人機(jī)產(chǎn)生排斥的力，在引力和斥力的合力作用下，使無人機(jī)在盡可能保持原航線的基礎(chǔ)上安全飛行。無人機(jī)路徑規(guī)劃法就是指依據(jù)人物要求和周圍的環(huán)境信息等因素，事先規(guī)劃出一條從起點到終點的最優(yōu)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(shè)一個以入侵航空器為中心的球體保護(hù)區(qū)，無人機(jī)到保護(hù)區(qū)的所有切線構(gòu)成碰撞錐，調(diào)整無人機(jī)的相對速度與球體保護(hù)區(qū)相切，此時可求解無人機(jī)的最優(yōu)解脫路線。
目前，無人機(jī)的防撞能力與有人機(jī)相比還存在差距，感知避讓技術(shù)還不夠成熟，沖突預(yù)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(jī)在保證飛行安全的前提下與有人機(jī)共享空域的要求。今后的研究將向多數(shù)據(jù)融合、智能化、實時性的方向發(fā)展，增強(qiáng)無人機(jī)對周圍環(huán)境的探測能力、態(tài)勢感知能力、預(yù)測沖突和解決沖突的能力，發(fā)展機(jī)遇數(shù)據(jù)融合的多傳感器組合方式進(jìn)行探測，解決三維空間內(nèi)多機(jī)間的沖突問題，大幅提高無人機(jī)的防撞能力和安全水平。同時，改進(jìn)和完善無人機(jī)防撞制度和體系，將制度體系與防撞技術(shù)相融合是無人機(jī)防撞工作的又一發(fā)展趨勢。
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