1 、现状与挑战
无人机可能引发的危害主要包（bāo）括空中相撞和地（dì）面撞击（jī），其中无（wú）人机与有人机之间的空中相撞是（shì）首（shǒu）要关（guān）注对（duì）象，为（wéi）保障飞行安全目前各国对无（wú）人（rén）机的运行管（guǎn）理普遍采用（yòng）将无人机限制在特定的空域内与有（yǒu）人机隔离运行。但随着无人机在侦查（chá）、搜救（jiù）、运（yùn）输（shū）、军事等（děng）多个领（lǐng）域的广泛（fàn）使用（yòng），其（qí）飞行活动量的不断（duàn）增加对空（kōng）域环境内的其（qí）他飞行器以及地（dì）面第三方带（dài）来很（hěn）大的安全隐患。在未来隔离运行方式（shì）将难以满足无人机（jī）日益增长的应用需求（qiú），无人（rén）机与有人机共享空域飞行是未来（lái）的发展趋势，因而防撞问题（tí）也成（chéng）为制约无（wú）人机发展的关键挑战（zhàn）之一。美国国家空域系统（tǒng）(National AirspaceSystem, NAS)的下一（yī）代（dài）空域系统计（jì）划指出“下一代空域将着眼于（yú）利用卫（wèi）星使得航管员、飞行（háng）员、乘客、无人飞（fēi）行器以及其（qí）它相关者能（néng）够实时地（dì）共享空（kōng）域（yù）。”美国国防部也制（zhì）定了空域集成计划中（zhōng），计划逐步（bù）将无人（rén）机融入共享空域。
无人机的空（kōng）域集成，即无人（rén）机进入非隔离空（kōng）域飞行与有人机共享空域。针对不同类型的使用特点，美国（guó）定义了6类空（kōng）域：A类，6000-20000m，严格按空管飞行；B类，主要机（jī）场周边，低于3000m；C类,次于B的繁忙机场（chǎng），低（dī）于1200m；D类,有塔台的机场，低于800m；E类，地面开始，A-D 类外空（kōng）间；G类，非（fēi）管制（zhì）空域。
2 、当前的（de）检（jiǎn）测技（jì）术（shù）
目标（biāo）探测是规避的（de）基（jī）础，无人机探测技术目前存在多种不同的解（jiě）决方案，根据（jù）感知探（tàn）测方式（shì）可以分为合作型和非合作型两大类：合作，意（yì）味着所有（yǒu）飞行（háng）器可通（tōng）过（guò）共同的通信（xìn）链路共享信息（xī）。非合作，则表示在天空的飞行器彼此间（jiān）不（bú）通信（xìn），因此，意味着只能（néng）采用主动（dòng）检测的方法。合作型（xíng）探测设备例如应答（dá）机TCAS 以（yǐ）及ADS-B 广播式自动相关监视（shì）系（xì）统能够获取目（mù）标飞机装载同类设备的飞机（jī）的直接（jiē）精确全面的状态信（xìn）息，但必须（xū）依靠通信链路且探测（cè）目标受限。非合作（zuò）型探（tàn）测（cè）设备，如雷达视觉EOIR 光（guāng）电红外等非合作型传感器能够（gòu）感知探测视场范围内的所有物（wù）体包括飞机以及（jí）地势、鸟（niǎo）类等非合作型目标。
3、合作型感知（zhī）探（tàn）测
空（kōng）中交（jiāo）通告警和防撞系统（TCAS）和广播式自（zì）动相关监视（ADS-B）属于合作（zuò）型感知探测设备，能（néng）够直接精确全面的（de）获取装载同类设备的（de）目标飞机的状态信息，但必（bì）须依靠通信链路且（qiě）探测目标受限。视觉（jiào）和雷达等属于非合作型传感（gǎn）器，能够感知探（tàn）测视场范围内的所有物体包括飞机、鸟（niǎo）类以及（jí）地（dì）形，但其探测性能受到无人机姿态影响（xiǎng）而存在盲（máng）区。
3.1 空中交通告（gào）警和防（fáng）撞系统（TCAS）
TCAS是为减少（shǎo）空-空碰撞的发生率，从（cóng）而改善飞机飞行（háng）安（ān）全的系统。TCAS最初（chū）设计是用于载人飞行；然而（ér），同样可用于无人飞行（háng），不过，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。
3.2 广（guǎng）播式（shì）自动相关监视（ADS-B）
ADS-B是一种相（xiàng）对较新的技术，它（tā）为防撞提供（gòng）了（le）巨大潜力。ADS-B不仅限于（yú）空（kōng）-空监（jiān）视，它（tā）使用（yòng）空（kōng）对地（dì）通信并具有取（qǔ）代二次监视雷达的潜力。使（shǐ）用了类似（sì）于TCAS使用无线电信号发（fā）收发（fā）附近飞机（jī）的（de）信息（xī）的方式（shì），但ADS-B的一个重要（yào）且明显的区别在于其信息交换的类型。每架飞机（jī）应分享的信（xìn）息包括三维位置、速度、航向、时间和意图。这些信（xìn）息是（shì）对于（yú）防撞系统非常（cháng）有价值。
4、非合（hé）作型感（gǎn）知（zhī）探测
非合作型探测设备，如雷达视觉（jiào）EOIR 光电红外等（děng）非合（hé）作型传感器能（néng）够感知探测视场范围内的所有物体包括飞机以及地（dì）势、鸟类等非（fēi）合（hé）作型（xíng）目标（biāo）。
4.1 基于视觉的防撞（zhuàng）探测
无源（yuán）性以及对非合作目标的鲁棒性是光电传感器的关键优势，使它们成为规避（bì）应用中（zhōng）非常有吸引力的传感（gǎn）器（qì）类（lèi）型（xíng）。与此相反，在交通警（jǐng）报和防撞系统（TCAS）则更多（duō）依（yī）赖于其他合作飞机（jī）转发自身飞行信息的方法（fǎ）。
光电传感器的传（chuán）感器技术已经相对成熟度，适合应（yīng）用于无人机（jī）感知与规（guī）避应用。当前先（xiān）进的（de）光（guāng）电传感器（qì）趋向于紧凑、低重量、低功率，使得（dé）它（tā）们能够（gòu）应用（yòng）于相（xiàng）对小的无人机（jī）平台。此外（wài），目前很容易得到支持高（gāo）速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太（tài）网（wǎng））通信接（jiē）口的商用现货（COTS）产品，以此可以很容易地实现图像数据的实时采集和高分（fèn）辨率传输解（jiě）决方（fāng）案。目前（qián），可利（lì）用从（cóng）相机到图像处理计算（suàn）机或工（gōng）作站传（chuán）送数字视频信号所常用的（de）总线（xiàn）标（biāo）准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太网和CameraLink。光电传感器所（suǒ）提供的信息不仅仅局（jú）限（xiàn）于用于图像平面内的目标检（jiǎn）测与定位（wèi）。由（yóu）目标（biāo）在图（tú）像平（píng）面中的位置所进一步推（tuī）断出的相对航（háng）向信息可以用于评估碰撞危险（xiǎn）（恒定的相（xiàng）对航向对应于高风险（xiǎn），而变（biàn）化率大（dà）的相对航对对应于低风险）。此外，也可从中（zhōng）得到常用于控制（zhì）目的距离（lí）信息并用于飞（fēi）机机动。相关（guān）研究表明（míng），以光电传感器为基（jī）础的（de）感（gǎn）知和规避系统获得监管机构批（pī）准的可能（néng）性最大。但是，光电传感方（fāng）法仍（réng）面临诸多问题。其中（zhōng）最显（xiǎn）著的挑战源自（zì）于空中（zhōng）环境（jìng）的不可预测和不断变化（huà）的性（xìng）质。特别是，对于可（kě）见光光（guāng）谱的光电传感器（qì），检测（cè）算法必须能够处理各种图像的背景（从蓝色天空云（yún）到杂乱的地面）、各种（zhǒng）照明（míng）条件（jiàn），以及可能的图像（xiàng）伪（wěi）影（例如镜头眩光）。光电传感（gǎn）方（fāng）法的（de）另一个问（wèn）题是存在图像抖动噪声。由（yóu）于受到不可预知（zhī）的气动干扰和无人机（jī）的机动，加剧（jù）了相机传感（gǎn）器的（de）图像抖动。对于（yú）图像（xiàng）平面（miàn）的（de）检测算（suàn）法，图像抖（dǒu）动（dòng）引入不希望的噪声分量，并对性能产生显（xiǎn）著影响。基于飞机的状态（tài）信息（xī）和图（tú）象特征的抖动补偿技术已经提出，可以减少图（tú）像（xiàng）抖动效应（yīng），但仍（réng）不能完全消除。最后（hòu），实（shí）现光电传感器图像数据的实时（shí）处理也是一个挑（tiāo）战。然而，随着并行处理硬件的发（fā）展（例（lì）如图形处理（lǐ）单元（GPU）、现场（chǎng）可编程门阵列（FPGA）和（hé）专用数字信号（hào）处理器（qì）（DSP）），此问题正在得到改善。在过（guò）去的十年里，政府（fǔ）、大学和商业研究小组已经展示了不同成熟度的基于（yú）光（guāng）电（diàn）传感器感（gǎn）知和规避技术。其中最（zuì）成熟（shú）的基于光电传感器（qì）感知和规避技（jì）术方案（àn）已经由国防研究协会有限公（gōng）司（sī）（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军研究实验室（AFRL）和航空系统中心（xīn）（ASC）联合完成。AEROSTAR无（wú）人机也已验证能在距（jù）离大约7海里侦查并跟踪不合作的（de）通用航空器的机载设备。该计划（huá）的目的是（shì）实现合作和不（bú）合作目标的防撞能力。澳大利亚的航空航（háng）天自动化研究中心（xīn）（ARCAA）已承接用于民（mín）用（yòng）无人机的成本（běn）效益（yì）高的感知（zhī）与规（guī）避系统（tǒng）。已经进行了（le）闭环飞行试（shì）验（yàn），展示（shì）了原型系统（tǒng）自动（dòng）检测入侵飞机并命（mìng）令（lìng）载机自动（dòng）驾驶仪进行回避动作的能（néng）力。在过去十（shí）年中，类似的研（yán）究加（jiā）深了对光（guāng）电传感器参数（如视野）与系统性能（如探测（cè）距离、检测概（gài）率和误报率（lǜ））之（zhī）间权衡的认（rèn）识（shí）。例如，许（xǔ）多研究表明，在一（yī）般（bān）情况（kuàng）下，增大视野将（jiāng）减小探（tàn）测距（jù）离，反之亦然。
4.2 基于雷达（dá）的防撞探测
雷达作为一项成熟（shú）的飞机防撞技术（shù），其探测范围（wéi）、扫描角速度、更新率和信号质量等均相对较高。Kwag等研究了适（shì）用于低空（kōng）飞行无人机防撞雷（léi）达的关键设计（jì）参数。其主要的技（jì）术缺陷在于大（dà）小的（de）限（xiàn）制。雷达的重量消耗大量的动力，并需要一个（gè）巨大的天线才可以发（fā）现较小（xiǎo）的物（wù）体，天线越（yuè）小，则精度越低（dī），这样雷达就被限制在大型（xíng）的无人平台上。在小型化方面，丹佛大（dà）学无（wú）人（rén）系统研究所的研究人员开发了一（yī）种（zhǒng）可供无（wú）人（rén）机携带的相控阵雷达（dá）系统，重量（liàng）只有12盎司，体积和人的手掌差不多。
5、结论
由于小型（xíng）无人机受成（chéng）本、重量、功耗（hào）等限制，无法采用（yòng）有人机（jī）传统的防撞系（xì）统及（jí）传感（gǎn）器系统（tǒng），如高精度（dù）惯导、雷达（dá）、光电吊舱等。因而实现小型无（wú）人机的感知（zhī）与规（guī）避需能力面临着更多（duō）的挑战。（稿源：南京领航无人（rén）机）
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