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設(shè)備與工具導(dǎo)讀 ID：Fly_Home5
了解無人機感知避讓技術(shù)，從無人機空中態(tài)勢感知、飛行沖突預(yù)測和飛行沖突解脫三個方面對該技術(shù)研究現(xiàn)狀進行總結(jié)。
有人機上的飛行員可通過“看見-規(guī)避”的方式來判斷當前態(tài)勢，針對威脅做出決策并完成規(guī)避工作以保證飛行安全，對于無人機采用的則是“感知-避讓”技術(shù)。感知避讓過程可劃分為環(huán)境態(tài)勢感知、飛行沖突預(yù)測和飛行沖突解脫三個部分：無人機通過自身攜帶的傳感器對當前空域內(nèi)的環(huán)境進行探測，利用通信網(wǎng)將周圍態(tài)勢向合作目標進行傳輸，系統(tǒng)預(yù)測未來一段時間內(nèi)的飛行路線上是否存在飛行沖突，自動生成決策指令并執(zhí)行規(guī)避動作以應(yīng)對突發(fā)威脅，確保飛行安全。
一、無人機空中態(tài)勢感知方法
不同的傳感器可探測感知的目標不同，根據(jù)無人機所攜帶使用的傳感器類別可將無人機態(tài)勢感知方法分為合作型和非合作型兩種。
合作型感知探測
合作是指無人機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前空域的態(tài)勢信息。比如空中交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS）和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等。TCAS主要由應(yīng)答機、收發(fā)機、告警計算機和告警顯示裝置等組成，該設(shè)備昂貴，主要裝載在有人機上；ADS-B是一種相對較新的技術(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，通過精確實時的信息交互可為無人機提供決策引導(dǎo)，實現(xiàn)感知避讓。
非合作型感知探測
非合作表示無人機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，需采取主動探測的方式。雷達和視覺傳感器等是目前常用的非合作型探測設(shè)備。雷達是利用電磁波進行目標探測的電子設(shè)備，在防止航空器相撞上的研究應(yīng)用已較為成熟，其探測范圍和精度與雷達的天線大小有關(guān)，天線越大則范圍越遠、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，與其他設(shè)備相比較有明顯的優(yōu)勢。
二、無人機飛行沖突預(yù)測方法
無人機飛行沖突預(yù)測是在周圍環(huán)境進行感知并獲得當前態(tài)勢的基礎(chǔ)上采取某種預(yù)測方法對未來一段時間內(nèi)的飛行狀態(tài)作出推測，判斷是否存在飛行沖突，是無人機感知避讓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前，主要預(yù)測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)測模型來預(yù)測判斷航空器在未來一段時間內(nèi)是否存在飛行沖突。Lygeros PJ 和Prandini M提出了短期預(yù)測和中期預(yù)測兩種模型：短期預(yù)測模型是預(yù)測未來幾秒到幾分鐘內(nèi)的飛行情況，此時若存在飛行沖突，則必須通過執(zhí)行相應(yīng)規(guī)避動作；中期預(yù)測模型則是用來對未來數(shù)十分鐘內(nèi)的飛行情況進行預(yù)測，判斷將來時間內(nèi)有無飛行沖突，若存在飛行沖突則通過防撞算法進行機動以避免發(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)計算的方法來求解飛行沖突可能發(fā)生的概率，計算量較大，現(xiàn)有嵌入式計算機的處理速度尚不能完全滿足實時計算的要求，因而概率性沖突預(yù)測法在實際中的應(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)測模型，通過劃設(shè)保護區(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因素和探測設(shè)備誤差的影響，通過選取橢球壯保護區(qū)模型建立了常速模型和沖突探測模型，運用卡爾曼濾波的方法對航空器的航跡進行預(yù)測，排除了不可能發(fā)生沖突的航空器進而減少了計算量。幾何分析法簡單直觀，計算量小，可以滿足實際需要。但目前對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、無人機飛行沖突解脫方法
無人機感知避讓的最終目的是化解飛行沖突，在無人機自主預(yù)測到飛行沖突前，必須立即依據(jù)解脫方法進行機動，保證無人機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計劃航路點的調(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正常飛行隊安全距離的要求，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二維情況下的合作型目標，包括勢場法、路徑規(guī)劃法和幾何方法等。勢場法將生活中的吸引和排斥現(xiàn)象應(yīng)用到航跡規(guī)劃中，計劃航路點對無人機是吸引作用，吸引無人機朝著目標方向飛行，同時，空域內(nèi)的其他航空器或物體對無人機產(chǎn)生排斥的力，在引力和斥力的合力作用下，使無人機在盡可能保持原航線的基礎(chǔ)上安全飛行。無人機路徑規(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)劃出一條從起點到終點的最優(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)一個以入侵航空器為中心的球體保護區(qū)，無人機到保護區(qū)的所有切線構(gòu)成碰撞錐，調(diào)整無人機的相對速度與球體保護區(qū)相切，此時可求解無人機的最優(yōu)解脫路線。
目前，無人機的防撞能力與有人機相比還存在差距，感知避讓技術(shù)還不夠成熟，沖突預(yù)測和解脫算法大多局限在雙擊和二維空間，尚不能滿足無人機在保證飛行安全的前提下與有人機共享空域的要求。今后的研究將向多數(shù)據(jù)融合、智能化、實時性的方向發(fā)展，增強無人機對周圍環(huán)境的探測能力、態(tài)勢感知能力、預(yù)測沖突和解決沖突的能力，發(fā)展機遇數(shù)據(jù)融合的多傳感器組合方式進行探測，解決三維空間內(nèi)多機間的沖突問題，大幅提高無人機的防撞能力和安全水平。同時，改進和完善無人機防撞制度和體系，將制度體系與防撞技術(shù)相融合是無人機防撞工作的又一發(fā)展趨勢。
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