1 、现（xiàn）状与挑战
无人机可能引发的危（wēi）害主要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人机之（zhī）间的空中相撞是首要关注（zhù）对象，为保障飞行安全目前（qián）各国对无人机的运行（háng）管理（lǐ）普遍（biàn）采用将无人机限制（zhì）在特定（dìng）的空域内与有（yǒu）人机（jī）隔离运行（háng）。但（dàn）随（suí）着无人机在侦查、搜救（jiù）、运输、军（jun1）事（shì）等多个领域的广（guǎng）泛（fàn）使用（yòng），其飞行活动量的不断增加对空域环境（jìng）内（nèi）的其（qí）他飞行器以（yǐ）及地面第（dì）三方带（dài）来很大（dà）的安全隐患。在未来隔离运行方（fāng）式将难以（yǐ）满足（zú）无人机日益（yì）增长的应用（yòng）需求（qiú），无人（rén）机与有人机（jī）共（gòng）享（xiǎng）空域（yù）飞行是未来（lái）的发（fā）展趋势，因而防撞（zhuàng）问题也成为制约无人机发展的（de）关键挑战之（zhī）一（yī）。美（měi）国（guó）国家（jiā）空域（yù）系（xì）统(National AirspaceSystem, NAS)的下一（yī）代空域系统计划（huá）指出“下一代空域将着（zhe）眼于利用卫星使得航（háng）管员、飞行员、乘客、无人飞行器以及其它（tā）相关者（zhě）能够实时地共享空域。”美国国防部也制定了空域集成计（jì）划中（zhōng），计划逐（zhú）步将（jiāng）无人机融（róng）入共享空域。
无（wú）人机（jī）的空域集成，即无人机进入非隔离空域飞行与有人机（jī）共享空域。针（zhēn）对不（bú）同类型（xíng）的使用特点，美国定义了6类空域：A类，6000-20000m，严格按空管（guǎn）飞（fēi）行（háng）；B类（lèi），主要（yào）机场周边，低于3000m；C类,次于（yú）B的繁忙机场，低于（yú）1200m；D类,有塔台的（de）机场，低于800m；E类，地面开始，A-D 类外空间；G类，非管（guǎn）制空域。
2 、当前（qián）的（de）检测技术
目标（biāo）探测是规避的（de）基础，无人机探测技（jì）术目前存在多种不同的（de）解决方案（àn），根据感知探（tàn）测方式可（kě）以分为合（hé）作型和非合作型两大类：合（hé）作，意味（wèi）着所有飞行器可（kě）通过（guò）共同的通（tōng）信链路共享信息。非（fēi）合（hé）作，则表（biǎo）示在天空的飞行器彼此（cǐ）间不通信（xìn），因此（cǐ），意味着只能（néng）采用（yòng）主动（dòng）检测的方法。合作型探测设（shè）备例如应答机TCAS 以及ADS-B 广播式自动相关（guān）监视系统能（néng）够获（huò）取目标飞机（jī）装载（zǎi）同类设备的飞机的直接精确全面的状态信息，但必须依靠通信链路且探测目标受限。非合作型探测设备（bèi），如雷（léi）达视（shì）觉EOIR 光电红外等（děng）非（fēi）合作（zuò）型（xíng）传（chuán）感器（qì）能够感知（zhī）探测（cè）视场范围内的所有物体包（bāo）括飞机（jī）以及（jí）地势、鸟类等非合作型目标。
3、合作型感知探（tàn）测
空中交通告警和防撞（zhuàng）系统（TCAS）和（hé）广播式自（zì）动相关监视（ADS-B）属于合（hé）作（zuò）型感知探测设备，能够直接精确全面的获取（qǔ）装（zhuāng）载同类设备的目标飞机（jī）的（de）状态信息，但必须依靠通信链（liàn）路且探测目标受限。视觉和雷达等属（shǔ）于（yú）非（fēi）合作型传感（gǎn）器，能够感知探测视场范围内的所有物（wù）体包括（kuò）飞机、鸟类以及地（dì）形（xíng），但其探（tàn）测（cè）性能（néng）受到（dào）无人机姿态（tài）影响而（ér）存在盲（máng）区。
3.1 空中（zhōng）交通告警和防撞（zhuàng）系统（TCAS）
TCAS是（shì）为减少空-空碰撞的发生率，从（cóng）而改善（shàn）飞机飞行安全（quán）的系统。TCAS最初设计（jì）是用于载人飞（fēi）行（háng）；然而，同（tóng）样可用于（yú）无人飞（fēi）行，不过，目（mù）前的价格（25,000-150,000美（měi）元）可（kě）能会妨（fáng）碍（ài）TCAS在无人机领域的广泛采用。
3.2 广播式自动相关监（jiān）视（ADS-B）
ADS-B是一种相对较新的技术，它为防撞（zhuàng）提（tí）供（gòng）了（le）巨大潜（qián）力（lì）。ADS-B不仅限于空-空（kōng）监视，它使用空对（duì）地通信并具有取代二次监视雷达的潜力。使用了类似于TCAS使用无线（xiàn）电信（xìn）号发（fā）收发附近飞（fēi）机的信息的方（fāng）式，但ADS-B的一（yī）个重（chóng）要且明显（xiǎn）的（de）区别在于其信息交（jiāo）换的类型（xíng）。每架飞机应分享的（de）信（xìn）息包括三维位置、速度、航向、时间和意图。这些信息是对于防（fáng）撞（zhuàng）系统非常有价值。
4、非合（hé）作型（xíng）感知探测
非合作型探测设（shè）备，如雷（léi）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（shì）场（chǎng）范围内（nèi）的所有物（wù）体包括飞（fēi）机以及地（dì）势、鸟类等非合作型（xíng）目标。
4.1 基于视觉的（de）防撞探测（cè）
无源性以及对非合作（zuò）目标的鲁棒性是光电（diàn）传感器的（de）关键优势，使它们成为（wéi）规（guī）避应（yīng）用中非（fēi）常有（yǒu）吸引力的传感（gǎn）器类型。与（yǔ）此相反，在交（jiāo）通警（jǐng）报和防撞系统（TCAS）则更多（duō）依赖于其他合作飞机（jī）转（zhuǎn）发自身飞行信息的（de）方法。
光电传感器（qì）的传感器技术已经相（xiàng）对成熟度，适合应用于无人机感（gǎn）知与规避应用。当（dāng）前先进（jìn）的光电传感器趋向于紧凑、低重量、低功率，使得它们能够应（yīng）用于（yú）相对（duì）小的无人机平台。此外，目前很（hěn）容易得到支持高速（sù）IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆以太（tài）网）通（tōng）信（xìn）接口的商用现（xiàn）货（COTS）产品，以此可（kě）以很容易地实现（xiàn）图（tú）像数据的实时采集和高（gāo）分辨（biàn）率（lǜ）传输解决方案。目前，可利用从相机（jī）到（dào）图像处理计算（suàn）机或工作站传送数字视频信号（hào）所常用的总线（xiàn）标准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太网和CameraLink。光（guāng）电传感器所提供的信息不仅仅局限（xiàn）于（yú）用于图像平面内的（de）目（mù）标检测与定位。由目（mù）标（biāo）在（zài）图（tú）像平面中的位（wèi）置（zhì）所（suǒ）进一步（bù）推断出的相对航向信息可以用（yòng）于评估碰撞（zhuàng）危（wēi）险（恒定的相对（duì）航向对应于高风（fēng）险（xiǎn），而变化率（lǜ）大的相对航（háng）对对应于低（dī）风险（xiǎn））。此外，也（yě）可从中得到（dào）常用（yòng）于控制目的距（jù）离信息并用于飞（fēi）机机动。相关研究表明（míng），以光电传感器（qì）为基础的感知（zhī）和规避系统获得监管机构批准的可能（néng）性（xìng）最大。但是（shì），光电传感方（fāng）法仍面临诸多问题。其中（zhōng）最显著的挑战源自于空中（zhōng）环境的不（bú）可（kě）预测和不（bú）断（duàn）变（biàn）化的性（xìng）质（zhì）。特别是，对于可见光光谱的光电传感器，检测算法必须能够处理各种图（tú）像的背景（从蓝色天空云（yún）到杂（zá）乱（luàn）的地面）、各（gè）种照（zhào）明条件，以及（jí）可能（néng）的图（tú）像（xiàng）伪影（yǐng）（例（lì）如镜头眩光）。光电（diàn）传感（gǎn）方法的另一个问（wèn）题是存在图（tú）像抖动（dòng）噪声。由于受到不可预知的气动（dòng）干扰和无（wú）人机的机动（dòng），加剧了相（xiàng）机传感器（qì）的图像抖动。对于图像平（píng）面的检（jiǎn）测算法，图像抖动引入不希望的噪声分量，并对性能产生（shēng）显（xiǎn）著影响。基于飞机的状态信息（xī）和图（tú）象特征（zhēng）的抖动补（bǔ）偿技术已经提出，可以减（jiǎn）少图像抖动效应（yīng），但仍不能完（wán）全消除。最后，实现光电（diàn）传感器（qì）图像数据的实时处（chù）理也是一个挑战（zhàn）。然而，随着并行处理硬件的发展（例如图形处理单元（yuán）（GPU）、现场可编程门阵列（liè）（FPGA）和（hé）专（zhuān）用数字信号处理器（DSP）），此问题正在（zài）得到改善。在过去的十年里，政府、大学和商业研究小组已经展示了不同成熟度的基于光电（diàn）传感器感知和规避技术。其（qí）中最成熟的基于光电传感器感知和规避技术（shù）方（fāng）案已经由（yóu）国防研（yán）究协（xié）会（huì）有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军研究（jiū）实验室（AFRL）和（hé）航（háng）空系统中心（ASC）联合完成。AEROSTAR无人机（jī）也已验（yàn）证（zhèng）能在距离大约7海里侦查（chá）并跟踪不合作的通用航空器（qì）的机载设备（bèi）。该计划的目的是实现合作和不（bú）合作目标的防撞能力。澳大利亚的航（háng）空航（háng）天自动化研究中心（xīn）（ARCAA）已承接用于民用无人（rén）机的成本效（xiào）益（yì）高的（de）感知与（yǔ）规避系统。已经进行了闭环飞行试验，展（zhǎn）示了原型（xíng）系统（tǒng）自动检测入侵（qīn）飞机（jī）并命令载机自动驾驶（shǐ）仪进行（háng）回避（bì）动作的能力。在过去十年中，类似的研究加深了对光（guāng）电传感器参（cān）数（如视（shì）野）与（yǔ）系（xì）统性能（néng）（如探测（cè）距（jù）离、检测概（gài）率和误报（bào）率）之间权衡的认（rèn）识。例如（rú），许多（duō）研（yán）究表（biǎo）明，在一般情况下，增大（dà）视野将减小探测距离（lí），反之亦然。
4.2 基于雷（léi）达的防撞探测
雷达作为一项成（chéng）熟（shú）的飞机防撞技术，其探测范围、扫描角（jiǎo）速度（dù）、更新率和信号（hào）质量等均相对较高。Kwag等研究（jiū）了适用于低（dī）空飞行无人机防撞雷达的关键设计参（cān）数。其（qí）主要的（de）技术缺陷在于大小的限制。雷达的重量消耗（hào）大（dà）量的动力，并需要一个（gè）巨大的（de）天（tiān）线（xiàn）才可以发现较小的（de）物体，天线越小，则精度越（yuè）低，这样雷达就被（bèi）限制在（zài）大型的（de）无人平台上。在小型化方面，丹佛大学无（wú）人（rén）系统研究所的研究人（rén）员开发了一种可供（gòng）无（wú）人机携带（dài）的相控阵雷达系（xì）统（tǒng），重（chóng）量（liàng）只（zhī）有12盎司，体积（jī）和人的（de）手（shǒu）掌差不多（duō）。
5、结论
由（yóu）于小（xiǎo）型无（wú）人机（jī）受成本、重量、功耗等限制，无法采用有人机传（chuán）统的（de）防撞系统及传感器（qì）系统，如高精度（dù）惯导、雷（léi）达、光电（diàn）吊舱等（děng）。因而实现小型无（wú）人机的（de）感知与规避需（xū）能（néng）力面临着更多的挑战。（稿（gǎo）源：南京领航无（wú）人机）
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