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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(duì)象，為保障飛行安全目前各國(guó)對(duì)無人機(jī)的運(yùn)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(yùn)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(duì)象，為保障飛行安全目前各國(guó)對(duì)無人機(jī)的運(yùn)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(yùn)行。但隨著無人機(jī)在偵查、搜救、運(yùn)輸、軍事等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，其飛行活動(dòng)量的不斷增加對(duì)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(yùn)行方式將難以滿足無人機(jī)日益增長(zhǎng)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(shì)，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(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系統(tǒng)計(jì)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(shí)地共享空域�！泵绹�(guó)國(guó)防部也制定了空域集成計(jì)劃中，計(jì)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(duì)不同類型的使用特點(diǎn)，美國(guó)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(chǎng)周邊，低于3000m；C類,次于B的繁忙機(jī)場(chǎng)，低于1200m；D類,有塔臺(tái)的機(jī)場(chǎng)，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(cè)技術(shù)
目標(biāo)探測(cè)是規(guī)避的基礎(chǔ)，無人機(jī)探測(cè)技術(shù)目前存在多種不同的解決方案，根據(jù)感知探測(cè)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(dòng)檢測(cè)的方法。合作型探測(cè)設(shè)備例如應(yīng)答機(jī)TCAS 以及ADS-B 廣播式自動(dòng)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(cè)目標(biāo)受限。非合作型探測(cè)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(cè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)以及地勢(shì)、鳥類等非合作型目標(biāo)。
3、合作型感知探測(cè)
空中交通告警和防撞系統(tǒng)(TCAS)和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)屬于合作型感知探測(cè)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(cè)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(cè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)、鳥類以及地形，但其探測(cè)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(jì)是用于載人飛行；然而，同樣可用于無人飛行，不過，目前的價(jià)格(25,000-150,000美元)可能會(huì)妨礙TCAS在無人機(jī)領(lǐng)域的廣泛采用。
3.2 廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)
ADS-B是一種相對(duì)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(duì)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(hào)發(fā)收發(fā)附近飛機(jī)的信息的方式，但ADS-B的一個(gè)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(shí)間和意圖。這些信息是對(duì)于防撞系統(tǒng)非常有價(jià)值。
4、非合作型感知探測(cè)
非合作型探測(cè)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(cè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的所有物體包括飛機(jī)以及地勢(shì)、鳥類等非合作型目標(biāo)。
4.1 基于視覺的防撞探測(cè)
無源性以及對(duì)非合作目標(biāo)的魯棒性是光電傳感器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，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(bào)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(duì)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(duì)小的無人機(jī)平臺(tái)。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(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)或工作站傳送數(shù)字視頻信號(hào)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(cè)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(duì)航向信息可以用于評(píng)估碰撞危險(xiǎn)(恒定的相對(duì)航向?qū)?yīng)于高風(fēng)險(xiǎn)，而變化率大的相對(duì)航對(duì)對(duì)應(yīng)于低風(fēng)險(xiǎn))。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(dòng)。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(cè)和不斷變化的性質(zhì)。特別是，對(duì)于可見光光譜的光電傳感器，檢測(cè)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(gè)問題是存在圖像抖動(dòng)噪聲。由于受到不可預(yù)知的氣動(dòng)干擾和無人機(jī)的機(jī)動(dòng)，加劇了相機(jī)傳感器的圖像抖動(dòng)。對(duì)于圖像平面的檢測(cè)算法，圖像抖動(dòng)引入不希望的噪聲分量，并對(duì)性能產(chǎn)生顯著影響�；陲w機(jī)的狀態(tài)信息和圖象特征的抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)提出，可以減少圖像抖動(dòng)效應(yīng)，但仍不能完全消除。最后，實(shí)現(xiàn)光電傳感器圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理也是一個(gè)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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和專用數(shù)字信號(hào)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(guó)防研究協(xié)會(huì)有限公司(DefenseResearchAssociates,Inc.(DRA))、空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和航空系統(tǒng)中心(ASC)聯(lián)合完成。AEROSTAR無人機(jī)也已驗(yàn)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(jì)劃的目的是實(shí)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(dòng)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(yàn)，展示了原型系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)入侵飛機(jī)并命令載機(jī)自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行回避動(dòng)作的能力。在過去十年中，類似的研究加深了對(duì)光電傳感器參數(shù)(如視野)與系統(tǒng)性能(如探測(cè)距離、檢測(cè)概率和誤報(bào)率)之間權(quán)衡的認(rèn)識(shí)。例如，許多研究表明，在一般情況下，增大視野將減小探測(cè)距離，反之亦然。
4.2 基于雷達(dá)的防撞探測(cè)
雷達(dá)作為一項(xiàng)成熟的飛機(jī)防撞技術(shù)，其探測(cè)范圍、掃描角速度、更新率和信號(hào)質(zhì)量等均相對(duì)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(jì)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(dòng)力，并需要一個(gè)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(tái)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(shí)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(shì)，針對(duì)威脅做出決策并完成規(guī)避工作以保證飛行安全，對(duì)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(shì)感知、飛行沖突預(yù)測(cè)和飛行沖突解脫三個(gè)部分：無人機(jī)通過自身攜帶的傳感器對(duì)當(dāng)前空域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，利用通信網(wǎng)將周圍態(tài)勢(shì)向合作目標(biāo)進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的飛行路線上是否存在飛行沖突，自動(dòng)生成決策指令并執(zhí)行規(guī)避動(dòng)作以應(yīng)對(duì)突發(fā)威脅，確保飛行安全。
一、無人機(jī)空中態(tài)勢(shì)感知方法
不同的傳感器可探測(cè)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(shì)感知方法分為合作型和非合作型兩種。
合作型感知探測(cè)
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(shì)信息。比如空中交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS）和廣播式自動(dòng)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(jì)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(duì)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(shí)時(shí)的信息交互可為無人機(jī)提供決策引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)感知避讓。
非合作型感知探測(cè)
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(dòng)探測(cè)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(cè)設(shè)備。雷達(dá)是利用電磁波進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)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(cè)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(diǎn)，與其他設(shè)備相比較有明顯的優(yōu)勢(shì)。
二、無人機(jī)飛行沖突預(yù)測(cè)方法
無人機(jī)飛行沖突預(yù)測(cè)是在周圍環(huán)境進(jìn)行感知并獲得當(dāng)前態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上采取某種預(yù)測(cè)方法對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的飛行狀態(tài)作出推測(cè)，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(cè)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(cè)模型來預(yù)測(cè)判斷航空器在未來一段時(shí)間內(nèi)是否存在飛行沖突。Lygeros PJ 和Prandini M提出了短期預(yù)測(cè)和中期預(yù)測(cè)兩種模型：短期預(yù)測(cè)模型是預(yù)測(cè)未來幾秒到幾分鐘內(nèi)的飛行情況，此時(shí)若存在飛行沖突，則必須通過執(zhí)行相應(yīng)規(guī)避動(dòng)作；中期預(yù)測(cè)模型則是用來對(duì)未來數(shù)十分鐘內(nèi)的飛行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷將來時(shí)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(dòng)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(jì)算的方法來求解飛行沖突可能發(fā)生的概率，計(jì)算量較大，現(xiàn)有嵌入式計(jì)算機(jī)的處理速度尚不能完全滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，因而概率性沖突預(yù)測(cè)法在實(shí)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(cè)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(cè)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(cè)模型，運(yùn)用卡爾曼濾波的方法對(duì)航空器的航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，排除了不可能發(fā)生沖突的航空器進(jìn)而減少了計(jì)算量。幾何分析法簡(jiǎn)單直觀，計(jì)算量小，可以滿足實(shí)際需要。但目前對(duì)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(cè)到飛行沖突前，必須立即依據(jù)解脫方法進(jìn)行機(jī)動(dòng)，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(duì)計(jì)劃航路點(diǎn)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(duì)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(shí)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(duì)二維情況下的合作型目標(biāo)，包括勢(shì)場(chǎng)法、路徑規(guī)劃法和幾何方法等。勢(shì)場(chǎng)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(jì)劃航路點(diǎn)對(duì)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(shí)，空域內(nèi)的其他航空器或物體對(duì)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(diǎn)到終點(diǎn)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(gè)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(duì)速度與球體保護(hù)區(qū)相切，此時(shí)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(cè)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(shí)時(shí)性的方向發(fā)展，增強(qiáng)無人機(jī)對(duì)周圍環(huán)境的探測(cè)能力、態(tài)勢(shì)感知能力、預(yù)測(cè)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(cè)，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(shí)，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(shì)。
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