1 、现状与挑战
无人机可能（néng）引发的危害主要包括空中（zhōng）相（xiàng）撞（zhuàng）和地面撞击（jī），其中（zhōng）无人机与（yǔ）有（yǒu）人（rén）机之间的空中相（xiàng）撞是首（shǒu）要关注对象，为保（bǎo）障飞（fēi）行安全目前各国对无人机的运行（háng）管理普（pǔ）遍采用将（jiāng）无人机（jī）限制在特定的（de）空域（yù）内与（yǔ）有（yǒu）人机隔离（lí）运行（háng）。但随着无人机（jī）在侦查、搜救、运输（shū）、军（jun1）事等（děng）多个领（lǐng）域（yù）的广泛使用，其（qí）飞行活动量的不断（duàn）增加对空域环境（jìng）内的其他飞行器以及（jí）地面第三（sān）方带来很大的安全隐（yǐn）患。在未来隔离运（yùn）行方式将难（nán）以满足无人机日益增长的应（yīng）用需求，无（wú）人机与有人机共（gòng）享空域飞行是未来的发展趋（qū）势，因而防撞问题也成为制约无人机发展的关键挑战之一。美国国家空（kōng）域系统（tǒng）(National AirspaceSystem, NAS)的下一代空域系统（tǒng）计划指出“下（xià）一代空域将着眼（yǎn）于利用卫星（xīng）使得航管员、飞行员、乘客（kè）、无人飞行器以及其它相关者能够实时地共享空域。”美国（guó）国防（fáng）部也制定了空域集成计划中，计划逐步（bù）将无（wú）人机融入共享空域。
无人（rén）机的空（kōng）域集成，即无人机进入非隔（gé）离空域飞（fēi）行与有人机共享空域。针对不同类型的使用特（tè）点，美国定义了6类空域（yù）：A类，6000-20000m，严格（gé）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（máng）机（jī）场，低于1200m；D类,有塔台的机场（chǎng），低于800m；E类，地面开始，A-D 类外空（kōng）间；G类，非（fēi）管制空域。
2 、当前的检测技术
目标探测是规避的基础，无人机探测技术目（mù）前存（cún）在多种不同的解决（jué）方（fāng）案，根（gēn）据感（gǎn）知探测方式可以分为合作型和非合作型两大类：合作，意味着所（suǒ）有飞行器可通过共同的（de）通信链路共享（xiǎng）信（xìn）息。非（fēi）合作，则表示在天（tiān）空的飞行器（qì）彼此间不通信，因此，意味着只能采用（yòng）主（zhǔ）动检（jiǎn）测的（de）方（fāng）法。合作型探测设备例如（rú）应答机TCAS 以（yǐ）及（jí）ADS-B 广播式自动相关监视系统（tǒng）能够获取目标飞机装载同类（lèi）设备的飞机的直（zhí）接（jiē）精确全面的状态信（xìn）息，但必须依靠通信（xìn）链路且探测（cè）目标受限。非合作型探测设备，如（rú）雷达视（shì）觉EOIR 光电红外等非合（hé）作型（xíng）传感器能够感知（zhī）探测（cè）视场范围内的所有物体包括飞机以及地势、鸟类（lèi）等非（fēi）合作（zuò）型目（mù）标。
3、合作型感知探测
空中交通告警和防撞（zhuàng）系统（TCAS）和广（guǎng）播式自动相（xiàng）关监视（shì）（ADS-B）属于合作型感（gǎn）知探测（cè）设备，能够直接精确全面（miàn）的获取装载（zǎi）同（tóng）类（lèi）设备的目标飞机的状态信（xìn）息，但必须依（yī）靠通信链路且探测目标受限。视觉（jiào）和雷达等属于（yú）非合作型传感器，能够感知（zhī）探测视场范围（wéi）内的所有（yǒu）物体包括飞机、鸟类以及地形（xíng），但其（qí）探（tàn）测性能（néng）受到无人（rén）机姿态影响而存在（zài）盲区。
3.1 空中交通（tōng）告（gào）警和防撞系统（TCAS）
TCAS是为减（jiǎn）少空（kōng）-空碰撞的发生率，从而改善飞机飞（fēi）行安全的系统（tǒng）。TCAS最初设计是用（yòng）于载人飞行；然而，同样可（kě）用于（yú）无人（rén）飞（fēi）行，不过，目前的价（jià）格（gé）（25,000-150,000美元）可能会（huì）妨（fáng）碍TCAS在无人机领（lǐng）域的广（guǎng）泛采用。
3.2 广（guǎng）播式自动相（xiàng）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）了巨大（dà）潜力。ADS-B不仅限（xiàn）于空-空监视，它使用空对地通信并具有（yǒu）取代二（èr）次（cì）监视雷（léi）达（dá）的潜力。使用了类似于TCAS使用无线电信号发收发附近飞机的信息的（de）方式，但ADS-B的一个重（chóng）要且明显的区别在于（yú）其信息（xī）交换的类型（xíng）。每架（jià）飞（fēi）机应分（fèn）享（xiǎng）的信息包（bāo）括三（sān）维位（wèi）置、速度、航向、时间和意图。这（zhè）些（xiē）信（xìn）息是对（duì）于防撞系统非（fēi）常有价值。
4、非合作型感知探测
非合作型探（tàn）测设备，如雷达视觉EOIR 光电红（hóng）外等非合作型传感器能够感知探测视场范围（wéi）内的所（suǒ）有物体包括飞机以及地势（shì）、鸟类等非合作型目标（biāo）。
4.1 基于（yú）视觉的防撞探测
无（wú）源（yuán）性以（yǐ）及对非合作目（mù）标的（de）鲁棒性是光电传感器的关（guān）键（jiàn）优势，使它们成为规避应用（yòng）中非常有吸引力的传（chuán）感（gǎn）器类型。与此相反，在交通警报和防撞系统（TCAS）则更（gèng）多依赖于其他合作飞（fēi）机（jī）转发自身（shēn）飞行信息的方法。
光电传感器的传感（gǎn）器（qì）技术已经（jīng）相对（duì）成熟（shú）度，适合应（yīng）用于无（wú）人机感知与规避应用。当前先进的光电（diàn）传感器趋（qū）向于紧凑、低重量、低功率，使（shǐ）得它们能够应用于相对小的无人机平台。此外，目前很容易得到支持高（gāo）速IEEE1394和IEEE802.3-2008（千兆（zhào）以（yǐ）太网（wǎng））通信接口的（de）商用现（xiàn）货（COTS）产品，以（yǐ）此可以很容易地实现图像数（shù）据的实时采集和高分辨率传输（shū）解决方案（àn）。目前，可利用从相机到（dào）图像（xiàng）处（chù）理计算机或工作站传送数字视频信号所（suǒ）常用（yòng）的总线标准：火线（IEEE1394）、USB2.0、千兆以太网和（hé）CameraLink。光电传感器所提供的信息不仅仅局限于（yú）用于图像平面内（nèi）的（de）目标检测与定（dìng）位。由目标在图像平面中的位置所进一步推断出（chū）的相对航向信息可以用于评估碰（pèng）撞危（wēi）险（恒（héng）定的相对航向（xiàng）对应（yīng）于高风险，而变化率（lǜ）大的（de）相对（duì）航（háng）对对（duì）应（yīng）于（yú）低风（fēng）险）。此外，也（yě）可从中得到常（cháng）用（yòng）于控制目的（de）距离信息并用于（yú）飞机机动。相关（guān）研究表明（míng），以光（guāng）电传感器为基础的感（gǎn）知和（hé）规（guī）避系统获得监管机构批（pī）准的可能性最大（dà）。但（dàn）是，光电传感方法（fǎ）仍面临诸多（duō）问题。其中（zhōng）最显（xiǎn）著的（de）挑战源（yuán）自于空（kōng）中环境的不可预测和（hé）不断变化（huà）的性质。特（tè）别是，对于可（kě）见光光谱的光电传（chuán）感器，检（jiǎn）测算法必须（xū）能够处理各种图像的背景（从蓝色天空（kōng）云到杂乱的地面）、各种照明条件（jiàn），以及可能的图像伪影（yǐng）（例如镜头眩光（guāng））。光电传感方法的另一个问题是存在图（tú）像抖动噪声（shēng）。由于受（shòu）到不（bú）可预知（zhī）的（de）气动（dòng）干扰和（hé）无人机的机动，加剧了相机传（chuán）感器的图像（xiàng）抖动。对于图像平面的检测算法，图像抖动引入不希（xī）望的噪声分量，并对性能（néng）产生显著影（yǐng）响。基于飞机的（de）状态信息和图象特（tè）征的抖动（dòng）补偿技术已经提（tí）出，可（kě）以减（jiǎn）少图像抖动效（xiào）应（yīng），但（dàn）仍不能完全消除。最后，实（shí）现光电传感器图像数据的（de）实时处理也是一个挑战。然而（ér），随（suí）着并（bìng）行处理（lǐ）硬件的发展（zhǎn）（例如（rú）图形处理单元（GPU）、现（xiàn）场可编程门阵列（FPGA）和专用数字信号（hào）处理器（DSP）），此（cǐ）问题正在得到改善。在过去（qù）的十年里，政（zhèng）府（fǔ）、大学（xué）和商业研究小（xiǎo）组已经展示（shì）了（le）不同成熟（shú）度的基（jī）于光（guāng）电（diàn）传感器感知和规避技术。其中最成熟的基于光电传感器感知和规避技术方案已经（jīng）由国（guó）防研究协（xié）会有限公司（DefenseResearchAssociates,Inc.（DRA））、空军（jun1）研究实（shí）验室（shì）（AFRL）和航空系统中心（ASC）联合完成。AEROSTAR无人机（jī）也已验证能在距离大约7海里（lǐ）侦查并跟踪（zōng）不合作（zuò）的通用航空（kōng）器的机载设（shè）备。该计划的（de）目的（de）是实现合作和（hé）不合作（zuò）目标的防撞能力。澳大利亚的航空（kōng）航天自动化（huà）研究中心（ARCAA）已承接用于（yú）民（mín）用无（wú）人机的（de）成本效益高的感知与规（guī）避系统。已经进（jìn）行了闭（bì）环（huán）飞行（háng）试验（yàn），展示了原（yuán）型系统（tǒng）自动检测入侵飞机并（bìng）命令（lìng）载机自动（dòng）驾驶仪（yí）进行回避动作的能（néng）力（lì）。在过去十年中，类似的研究加深了对光电传感器（qì）参数（shù）（如视（shì）野）与系统性能（如探（tàn）测距离（lí）、检测概率和（hé）误报率）之（zhī）间权衡的（de）认识。例如，许（xǔ）多研究表明，在（zài）一般情况下，增大视野将（jiāng）减小探测距离（lí），反之亦然（rán）。
4.2 基于雷达的（de）防撞探测
雷达作为一项成熟的飞机（jī）防（fáng）撞技术，其（qí）探测范围、扫描（miáo）角速度、更新率和信（xìn）号质量等均相对较高。Kwag等研究了适（shì）用（yòng）于低空飞行无人（rén）机防（fáng）撞雷达的关键设计参数。其主要的技术缺陷在于大小（xiǎo）的限制。雷达的重（chóng）量消耗大量的动（dòng）力（lì），并需要一个巨大（dà）的天线才可以发现较小的物体，天线越小，则精度越低，这样雷达就被（bèi）限制在大型的无人平台（tái）上。在小（xiǎo）型化方面（miàn），丹佛大学无人系统（tǒng）研究所（suǒ）的研究人员（yuán）开发了（le）一种可供（gòng）无（wú）人机（jī）携（xié）带的相控阵雷达系统，重（chóng）量只有12盎司，体（tǐ）积和人的（de）手掌差不多。
5、结论
由于小型（xíng）无人机（jī）受成本（běn）、重量、功耗等限制，无法采用有（yǒu）人（rén）机传统的（de）防撞系统（tǒng）及传感器系（xì）统，如高精度惯导、雷达（dá）、光（guāng）电（diàn）吊舱等。因而实现（xiàn）小（xiǎo）型无人机的感（gǎn）知与规避需能力面临着（zhe）更多的挑战。（稿源（yuán）：南京（jīng）领航无人机）
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