付铭
中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北省武汉市 430000
摘要：改革后，我国的科学技术快速发展。其中，无人机防相撞系统一般采用感知-避让防相撞策略，防相撞信息感知是实现防相撞功能的基础。根据常用无人机防相撞信息感知的主要技术模式，根据防相撞信息感知类型，研究分析基于光电视觉感知、交通警报和避撞系统、广播式自动相关监视等三类防相撞系统模式。最后结合无人机防相撞系统和信息感知技术研究现状，综合分析其技术发展趋势，为无人机防相撞系统和相关感知传感器的设计提供研究思路和发展方向，为无人机安全可靠性遂行任务、尤其是在飞行器数量繁多的空域遂行任务提供一定的研究方向。
关键词：无人机；防相撞系统；信息感知；传感器
引言
随着无人机技术发展，无人机在各领域应用愈加广泛，无人机数量也不断攀升，甚至可以说，无人机将是未来空域的主要使用者之一。美国国防科学研究委员会、国会公共服务研究中心指出：“无人机潜在的能力和灵活性证明：更多的现有有人机执行的任务可以转向无人机平台，并且无人机和有人机可以共同飞行”。但同时，无人机大量飞行给空域运行带来巨大安全隐患，无人机的空域运行安全问题主要包括空中相撞和地面撞击，其中无人机与有人机间空中相撞是首要关注问题。目前，为保障飞行安全，各国将无人机限制在特定空域内，与有人机分开和隔离运行，但在有限的空域资源下，隔离运行方式将难以满足无人机日益增长的应用需求。
1防撞控制系统架构
通过机载传感器设备获取环境初始信息，分别用交互多模预测入侵机位置，滚动时域控制建模无人机运动模型，同时预测两机未来运动趋势，以此作为微分进化求解无人机控制量的依据，将控制量反馈输入无人机控制方程进行机动控制，完成避撞后进行下一步的态势感知，以此循环直至到达目标点。无人机防撞控制系统架构图如图1所示。
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图1避撞系统架构
2无人机防相撞信息感知技术
2.1可见光谱成像
可见光谱类光电传感器主要是可见光谱相机，其工作波长约为390nm~750nm。常用的可见光谱相机主要分为两大类：数码相机和机器视觉相机（包括监控和网络摄像头）。数码相机提供非常高的分辨率，但无法提供连续的图像流，且图像数量通常取决于内部存储器的容量，因此数码相机常用于遥感和航空摄影；机器视觉相机的画质分辨率相对较低，但可以提供高达每秒几百帧的连续图像流，速度大小由画质分辨率和文件输出格式（数字或模拟）共同决定，因此机器视觉照相机适用于需要快速感知环境的任务。机器视觉相机的常见输出协议和接口包括IEEE1394、相机链路、记忆卡SD、硬盘HD、USB、千兆以太网GigEVision以及霹雳相机（thunderbolt）等。数码相机和机器视觉相机能够提供彩色图像、灰度图像或同时提供彩色图像和灰度图像。图像的数据表示或色彩空间通常由相机制造商设定，大多数机器视觉相机使用RGB、YUV、YPbPr和YCbCr等典型色彩模型。相机的几何模型具有十分重要的作用，结合相机几何模型，可以通过定期执行校准过程获得相关模型参数，进而为失真镜头校正提供数据、为3D图像映射到2D图像提供标准，并且为相机获取数据提供操纵使用模式。对于常见相机型号和校准理论，可参阅Szeliski的计算机视觉算法与应用。
2.2冲突解脱
冲突解脱技术是无人机自主防相撞关键技术，无人机在成功感知周围环境情况下，以反馈信息为依据，利用设定好程序算法对周边环境进行冲突探测，并利用计算机得到冲突解脱方案。由于混合空域中飞行环境一般具有动态、复杂和不确定性特点，难以有效表示和处理，因而无人机冲突解脱也是无人机研究领域的一个难题。
目前，根据是否需要人参与，将无人机冲突解脱分为人在回路和自主飞行２种方式，无人机自主飞行冲突解脱方式如图2所示。目前，人在回路的飞行冲突解脱方式广泛采用，对于管制员提出的指令或面临的变化均能很好处理。但受制于数据传输链路影响，会有一定延迟，从而降低了冲突解脱的可靠性。与此相对应的是自主飞行冲突解脱方式。无人机自主飞行冲突解脱要求无人机具有较高的自主决策与航路规划能力，目前由于动态环境中无人机自主决策和实时航路规划能力无法保障无人机安全飞行，因此，该冲突解脱方式还无法广泛应用于无人机实际飞行。但随着技术成熟，尤其是无人机自主规避技术发展，将使无人机自主飞行冲突解脱能力得到大幅提高，从而使自主飞行冲突解脱方式成为未来保障无人机防相撞主要手段。
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图2无人机自主飞行冲突解脱方式
2.3激光雷达
激光雷达广泛应用于大气、气象和遥感等领域的研究。与普通雷达类似，激光雷达也是通过测量从物体反射信号的时间跨度来估算距离，与普通雷达的主要区别是激光雷达的信息媒介为激光束，而普通雷达是脉冲信号。由于激光束具有良好的传输性能，因此激光雷达生成的图像清晰度非常高，据Terranean2011年报道，当时的激光雷达已经可以有效分辨2.5cm级别的物体。然而，激光雷达也与普通雷达一样面临大量SWaP方面的技术障碍。激光雷达已逐步发展到有效装载在轻型通用航空飞机上应用，但在微型/小型无人机中应用依旧较少。激光雷达的小型化是其发展的主要方向，近年来的技术创新已经取得良好的成果，如质量仅15kg的RieglLMS-Q160激光雷达，探测范围可以达到60W，这些技术革新都为激光雷达在小型无人机上的应用创造了有利条件。
激光雷达的发展创新进展总体较为缓慢，主要原因在于经济投入有限。但毫无疑问，电子产品的小型、节能和高计算能力的硬件发展将促使无人机的任务范畴大大拓展，增强无人机的现实应用能力。
应用无线电技术获取无人机防相撞系统所需的感知信息在合作型空域内具有十分明显的优势，无人机通过无线电技术获取空域内相关防相撞感知信息，探测距离、探测精度等方面较光电技术均有较为明显的优势。然而，基于无线电技术的防相撞系统对空域内其他飞机的合作要求较高，空域内如存在非合作型飞行器、隐身飞行器时，则难以获取相关防相撞信息，尤其是在存在地方威胁的空域内飞行时，应用无线电技术获取相关感知信息势必导致无人机完全暴露在空域内，严重威胁无人机遂行相关任务时的飞行安全。
结语
本文主要研究无人机防相撞系统感知-避让中的信息感知部分，首先根据传感器感知防相撞信息的类型将信息感知技术分为光电感知技术和无线电技术两大类，并对可见光谱成像、红外成像、高光谱成像等光电感知技术和普通雷达、激光雷达等无线电技术的概念、原理、优缺点及发展趋势进行了梳理研究。在此基础上，结合防相撞信息感知类型和是否存在无人机集群合作等因素，主要分析了基于光电视觉感知的防相撞、基于交通警报和避撞系统的防相撞和基于广播式自动相关监视的防相撞三类无人机防相撞技术。通过对两大类防相撞信息感知技术的梳理分析和对三大类防相撞系统的研究，最后基于无人机防相撞信息感知技术的研究现状和无人机未来任务遂行的趋势，综合分析无人机防相撞系统信息感知技术的发展趋势，为无人机防相撞系统和相关感知传感器的设计提供研究思路和发展方向，为无人机安全可靠性遂行任务、尤其是在飞行器数量繁多的空域遂行任务提供一定的研究方向。
参考文献
［1］魏潇龙，姚登凯.无人机系统集成下的感知-避让系统研究［J］.飞航导弹，2015，（6）：69-84.
［2］李春锦，文泾．无人机系统的运行管理［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，2011．