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。
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)。
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