無人機避免相撞技術(shù)解析

1、無人機避免相撞技術(shù)解析無人機避免相撞技術(shù)解析1、現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)無人機可能引發(fā)的危害主要包括空中相撞和地面撞擊，其中無人 機與有人機之間的空中相撞是首要關(guān)注對象，為保障飛行安全目前 各國對無人機的運行管理普遍采用將無人機限制在特定的空域內(nèi)與 有人機隔離運行。但隨著無人機在偵查、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 行器以及地而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H益增長的應(yīng)用需求，無人機與有人機共享空域飛 行是未來的發(fā)展趨勢，因而防撞問題也成為制約無人機發(fā)展的關(guān)鍵 挑戰(zhàn)之一。美國國家空域系統(tǒng)(NationalAirspaceSy

2、stem, 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，計劃逐步將無人機融入共享 空域。無人機的空域集成，即無人機進入非隔離空域飛行與有人機共享 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,主要機場周邊,低于3000m;C 類，次于B的繁忙機場，低于1200m;D類,有塔臺的機場，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)，無人機探測技術(shù)目前存在

3、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TCAS以及ADS-B T播式自 動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)能夠獲取目標(biāo)飛機裝載同類設(shè)備的飛機的直接精確 全而的狀態(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

4、合作型感知探測設(shè)備，能夠直接精確全而的獲取裝載同類設(shè)備 的目標(biāo)飛機的狀態(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、鳥類以及地形，但其探測性能受到無人機姿態(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

5、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 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，如雷達視覺E0IR光電紅外等非合作型傳感 器能夠感知探測視場范圍內(nèi)的所有物體包折飛機以及地勢、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

6、交 通警報和防撞系統(tǒng)(TCAS)則更多依賴于其他合作飛機轉(zhuǎn)發(fā)自身飛行 信息的方法。光電傳感器的傳感器技術(shù)己經(jīng)相對成熟度，適合應(yīng)用于無人機感 知與規(guī)避應(yīng)用。當(dāng)前先進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，可利用從相機到圖像處理計算 機或工作站傳送數(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CameraLinko光電傳感器

7、所提供的信息不僅 僅局限于用于圖像平而內(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)o 此外，也可從中得到常用于控制目的距離信息并用于飛機機動。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)管機構(gòu) 批準(zhǔn)的可能性最大。但是，光電傳感方法仍而臨諸多問題。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

8、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的機動，加劇了相 機傳感器的圖像抖動。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?；陲w機的狀態(tài)信息和 圖象特征的抖動補償技術(shù)己經(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

9、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無人機也己驗證能在距 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)己承接用于民用無人機的成本效益高的感知 與規(guī)避系統(tǒng)。己經(jīng)進行了閉環(huán)飛行試驗，展示了原型系統(tǒng)自動檢測 入侵飛機并命令載機自動駕駛儀進行回避動作的能力。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基于雷達的防撞探測雷達作為一項成熟的飛機防撞技術(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 人機防撞雷達的關(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，這樣雷達就被限制在大型的無 人平臺上。在小