無人機感知規(guī)避技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)

潘 泉，康童娜，呂 洋，趙春暉，胡勁文

（西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安 710072）

1 引 言

未來的無人機將向著實戰(zhàn)化、智能化、多能化的方向發(fā)展，并可實現(xiàn)與有人駕駛飛機的混合編隊，能全天候、全空域執(zhí)行偵察、預(yù)警、通信、精確打擊、核打擊、戰(zhàn)斗支援、救援、補給甚至自殺性攻擊等多種任務(wù)［1］。無人機的感知與規(guī)避功能是指無人機系統(tǒng)通過傳感器和數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)對空中交通環(huán)境的有效觀測、評估和威脅判斷，在此基礎(chǔ)上，針對可能的碰撞威脅生成有效的規(guī)避路徑和機動控制，從而實現(xiàn)碰撞規(guī)避和保障空域交通安全。

隨著軍民領(lǐng)域?qū)o人機的需求日益強烈以及空域的進一步開放，未來空域?qū)⑷遮吤芗?，呈現(xiàn)無人機、有人機空域共享的復(fù)雜空中交通態(tài)勢，現(xiàn)有空管體系下的空中交通安全將面臨重大挑戰(zhàn)［2］。以感知規(guī)避（Sense and Avoid，SAA）技術(shù)為核心的無人機空域集成技術(shù)是未來空域安全的重要保障，作為政策規(guī)則與技術(shù)研究高度制約、相互融合的一項技術(shù)，SAA技術(shù)也是當(dāng)前無人機技術(shù)研究的前沿領(lǐng)域和亟需解決的重要問題。

本文從政策、規(guī)則發(fā)展和主要技術(shù)研究領(lǐng)域等方面介紹了目前無人機感知與規(guī)避的研究現(xiàn)狀；依據(jù)SAA的功能描述進行數(shù)學(xué)建模與分析，重點分析了環(huán)境感知技術(shù)和規(guī)避路徑規(guī)劃技術(shù)；基于上述基礎(chǔ)提出了兩種針對中小型無人機的感知與規(guī)避方法；最后，結(jié)合我國空域發(fā)展國情與無人機技術(shù)發(fā)展趨勢，對我國無人機感知與規(guī)避技術(shù)的發(fā)展給出了幾點建議。

2 無人機感知規(guī)避發(fā)展現(xiàn)狀

對于無人機而言，并沒有機組人員來履行威脅檢測以及規(guī)避的職能，因此無人機系統(tǒng)只能單純的依靠機載裝備的一系列傳感器來完成障礙規(guī)避［3］。無人機SAA技術(shù)是一項技術(shù)研究與政策規(guī)則發(fā)展相輔相成、協(xié)同發(fā)展的技術(shù)。一方面，無人機SAA技術(shù)發(fā)展具有鮮明的政策、標準導(dǎo)向性，即無人機的系統(tǒng)配置、通信、感知規(guī)避操作等要遵守相關(guān)的航空法規(guī)、設(shè)計參考、適航標準和操作準則［4］；另一方面，SAA技術(shù)研究能夠促進相關(guān)航空政策標準的改革，即新平臺、新技術(shù)、高自主的空中交通形態(tài)，必然會帶來空中交通管理手段、操作標準的革新和政策法規(guī)的變化。通過技術(shù)研究與政策標準的相互迭代發(fā)展，共同促進無人機空域集成應(yīng)用和保障空域飛行安全。隨著越來越多的無人機應(yīng)用在國防軍事和國民經(jīng)濟領(lǐng)域，無人機于無人機、無人機于有人機，都構(gòu)成了直接威脅，如何避免無人機與其他飛機碰撞就成為非常值得關(guān)注的問題。雖然美軍已經(jīng)建立起防止無人機與有人機碰撞的機制，但還遠沒有達到安全的程度，還在致力于研究提高無人機飛行安全性的更可靠解決方案，而感知規(guī)避系統(tǒng)可以確保無人機具有與有人機同樣的安全性［5-11］。目前我國無人機研究在自主避障系統(tǒng)上也有了較大進步，同時我國的無人機自主飛行研究也與國際潮流接軌，保障進一步的智能化和實時性，這也使得“感知與規(guī)避”技術(shù)成為了無人機的熱門研究領(lǐng)域［12］。

2.1 無人機感知規(guī)避相關(guān)政策標準發(fā)展

當(dāng)前階段，無人機感知與規(guī)避的政策、規(guī)則、標準的發(fā)展是以現(xiàn)有的空中交通管理（Air Traffic Management，ATM）體系下的的政策、標準為參考，針對無人機的技術(shù)和操作特點，從而實現(xiàn)無人機在現(xiàn)有空域集成過程中的政策、標準保障和研究、應(yīng)用指導(dǎo)。航空政策發(fā)展體系下的主要內(nèi)容包括：無人機空域準入的法規(guī)政策、認證與技術(shù)標準、程序參考、測試標準與評估體系等。在當(dāng)前無人機技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大的情況下，空域飛行安全亟需相關(guān)的政策法規(guī)與技術(shù)標準來保障。包括美國、歐盟、澳大利亞、中國等不同的航空體系均不同程度的開展了相關(guān)政策和標準的建設(shè)。各國解決無人機空域安全方案主要分成陸基SAA和空中SAA兩種。目前在研的感知與規(guī)避系統(tǒng)都是旨在為無人機系統(tǒng)及其操作人員提供飛機飛行安全保障技術(shù)［13］。

2.1.1 美國

美國作為當(dāng)前無人機發(fā)展應(yīng)用規(guī)模最大的國家，政策與技術(shù)體系經(jīng)歷了長期而復(fù)雜的發(fā)展歷程，形成了目前基于豁免/授權(quán)許可（Certificate of Waiver or Authorization）的空域準入體系［14］，在該體系下形成了無人機的空域準入、適航的政策規(guī)則，發(fā)展了無人機系統(tǒng)、通信、感知與規(guī)避的相關(guān)技術(shù)標準。在2007年頒布的FAA Notice 07-01［15］中，美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）將民用無人機分為公共無人機、民用無人機和模型飛機三種，并沿用至今，有針對性的建立了相關(guān)的政策法規(guī)。

表1 美國無人機分類Table 1 The U.S. UAV’s classification

在無人機相關(guān)標準建設(shè)方面，航空無線電技術(shù)委員會（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）、美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers，SAE）、美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing Materials，ASTM）等都建立了包括適航、飛行軟件、通信、感知與規(guī)避、控制系統(tǒng)、操作培訓(xùn)等較為完善的無人機標準體系。RTCA在其飛行器最低性能標準（Minimum Aviation System Performance Standard，MASPS）中致力于建立無人機系統(tǒng)、指揮/控制/通信（C3）、感知與規(guī)避系統(tǒng)的相關(guān)標準。ASTM通過對比有人飛行器與無人機在適航性、飛行操作、人員訓(xùn)練與認證等方面的差異，形成了多個無人機相關(guān)標準，其中F2411-07［16］描述了無人機機載SAA系統(tǒng)的設(shè)計與性能評估標準。該標準通過對無人機SAA系統(tǒng)中的目標檢測范圍（水平±110o，垂直±15o）、安全分離距離（水平500英尺，垂直100英尺）進行定義，提供與有人飛行器等價安全的看見并規(guī)避能力。

目前，較為滯后的無人機準入政策已經(jīng)逐步成為制約無人機發(fā)展的障礙，特別是在中小型民用無人機商業(yè)應(yīng)用方面的不開放態(tài)度已經(jīng)嚴重制約了無人機在民用領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。針對該狀況，美國加速了無人機相關(guān)政策、規(guī)則、標準的發(fā)展。2016年8月29日，美國聯(lián)邦航空法規(guī)第107條“小型無人機規(guī)則”［17］開始實施，對小于55磅的小型無人機的操作限制、認證與職責(zé)、平臺等進行了定義和要求。該規(guī)則的實施將進一步推動美國無人機的商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計在2025年產(chǎn)生820億美元的經(jīng)濟效益和10萬個工作崗位［18］。

2.1.2 歐洲

由于歐洲的空域劃分更加復(fù)雜，且不同的國家在空中交通管制、無人機應(yīng)用等方面存在差別，因此歐洲的無人機操作與管理更加困難。針對該狀況，歐洲航空安全局（European Aviation Safety Agency，EASA）在ANP-A 2015中提出了以任務(wù)操作為中心的基于風(fēng)險的無人機分類方案和政策標準。其中無人機的風(fēng)險定義為：與有人飛行器的空中碰撞、人身威脅、對重要設(shè)施和財產(chǎn)的損耗等。根據(jù)風(fēng)險程度將無人機分為如下三類，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險規(guī)避的政策和規(guī)則。

表2 歐洲無人機分類Table 2 European UAV’s classification

為支撐EASA的無人機相關(guān)政策，歐洲民用航空設(shè)備組織（European Organization for CivilAviation Equipment，EUROCAE）進行了一系列的標準建設(shè)［19］，包括無人機操作與SAA、適航性、C3與通信、小型無人機等。從而滿足現(xiàn)有空域飛行政策和規(guī)則下的無人機空域飛行安全保證，將風(fēng)險降至最低。特別是針對感知與規(guī)避相關(guān)標準的建設(shè)，歐洲防御組織提出了空中防撞系統(tǒng)（Middle-Air Collision Avoid System，MIDCAS）［20］計劃，將SAA系統(tǒng)設(shè)計指南和性能評估標準作為重要的研究內(nèi)容。

在未來空中交通管理的建設(shè)過程中，歐盟充分考慮了無人機的發(fā)展。歐洲航空安全組織（Eurocontrol）提出的SESAR計劃包含了無人機感知與規(guī)避、4D航路管理和先進通信鏈路等內(nèi)容［21］；另外，歐盟還提出了無人機綜合創(chuàng)新計劃（INOUI）［22］，作為SESAR中無人機技術(shù)研究部分的有效補充，重點關(guān)注無人機在歐洲空域集成中的程序流程與標準要求等。

2.1.3 澳大利亞

澳大利亞被認為是最早進行民用無人機規(guī)則建設(shè)的國家，澳洲民航安全局（Civil Aviation Safety Authority，CASA）基于風(fēng)險管理和操作許可進行無人機監(jiān)管。在CASR 101部分，無人機系統(tǒng)根據(jù)操作性能分為三類，即大型無人機（最大起飛質(zhì)量＞150kg），小型無人機（最大起飛質(zhì)量＞25kg）和微型無人機（最大起飛質(zhì)量＞0.1kg），并根據(jù)AC-101建立相應(yīng)的操作規(guī)則與標準，嚴格限制無人機的操作，防止對其他飛行器、人身安全、財產(chǎn)造成威脅。

表3 澳大利亞無人機分類Table 3 Australian UAV’s classification

澳洲航空自動化研究中心（Australian Research Centre for Aerospace Automation，ARCAA）通過一系列的技術(shù)研究和標準制定為CASA的相關(guān)政策提供支持。在感知與規(guī)避研究方面，ARCAA通過一系列涵蓋多個類別無人機感知與規(guī)避技術(shù)的仿真和實驗，為無人機空域保障相關(guān)政策以及感知與規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計標準政策提供有力的技術(shù)支持。

2.1.4 中國

近年來，我國無人機技術(shù)迅速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用不斷發(fā)展壯大；加之低空領(lǐng)域的不斷開放和通用航空的蓬勃發(fā)展，為無人機的廣泛應(yīng)用提供了重要契機。但是，民用無人機空域集成應(yīng)用的相關(guān)法規(guī)、政策方面的不足，仍然是制約無人機空域集成和安全應(yīng)用的主要因素。近五年來，一系列政策法規(guī)的實施，加速了無人機空域安全應(yīng)用的進程。其中，2015年9月下發(fā)的《輕小無人機運行規(guī)定（試行）》結(jié)合我國國情，對無人機進行了分類，并對無人機的操作要求和應(yīng)用限制進行了定義，建立了基于操作員許可的無人機飛行管理制度；2016年7月下發(fā)的《民用無人機駕駛員管理規(guī)定》依據(jù)上述規(guī)定，對無人機系統(tǒng)的駕駛員實施指導(dǎo)性管理；《民用無人機空中交通管理辦法》針對無人機的空域管理進行了規(guī)定，明確提出將無人機的感知規(guī)避能力作為無人機空域飛行安全能力的指標之一。

除了法規(guī)和標準建設(shè)以外，在“十二五”期間，軍民領(lǐng)域的研究機構(gòu)針對無人機空域集成中若干關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，取得了一定的進展。感知與規(guī)避技術(shù)、通信-指揮-控制、無人機系統(tǒng)技術(shù)、無人機云監(jiān)管等研究，為無人機的空中安全保障提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 無人機感知規(guī)避技術(shù)研究

無人機感知與規(guī)避技術(shù)是實現(xiàn)無人機空域應(yīng)用的一項關(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前階段，感知與規(guī)避技術(shù)是實現(xiàn)與有人機看見并規(guī)避功能等價安全，滿足空中交通相關(guān)政策要求，實現(xiàn)空域準入飛行的必備前提；在未來無人機空域集成和多種飛行器空域共享過程中，感知與規(guī)避是保障空中交通分離、規(guī)避功能，實現(xiàn)空域飛行安全的核心技術(shù)。包括美國、歐洲、澳大利亞等多個國家的相關(guān)研究機構(gòu)進行了大量的感知與規(guī)避技術(shù)研究，形成了包括多種技術(shù)手段的技術(shù)體系，如圖1所示。SAA技術(shù)由近期到未來的發(fā)展，需充分考慮目前空中交通管理相關(guān)的技術(shù)狀態(tài)，首先發(fā)展技術(shù)成熟、系統(tǒng)較為廣泛發(fā)展的地基感知與規(guī)避（Ground Based SAA，GBSAA）技術(shù)，實現(xiàn)重點區(qū)域的飛行操作安全保障，再面向未來發(fā)展空基感知與規(guī)避（Airborne SAA，ABSAA）技術(shù)。在ABSAA技術(shù)中，綜合利用合作式、非合作式的多種感知手段，實現(xiàn)全空域、全類型的無人機SAA［23］。當(dāng)前合作式傳感器技術(shù)和非合作式傳感器技術(shù)都得到了很大的發(fā)展；協(xié)同式傳感器在有人機上是強制安裝的，以實現(xiàn)“探測與規(guī)避系統(tǒng)”的功能［24］。

圖1 無人機SAA技術(shù)發(fā)展Fig.1 UAV SAA technology developm ent

2.2.1 地基感知與規(guī)避技術(shù)

GBSAA是指利用地面的空中交通監(jiān)管設(shè)備、技術(shù)等實現(xiàn)對無人機飛行空間的有效感知，并形成態(tài)勢分析和碰撞風(fēng)險規(guī)避［25］。由于當(dāng)前的地基空管系統(tǒng)配置和技術(shù)發(fā)展較為成熟，GBSAA被認為是近期最有可能實現(xiàn)技術(shù)突破和應(yīng)用的SAA技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注和研究，包括GBSAA系統(tǒng)構(gòu)架、算法、系統(tǒng)測試等［25-27］。美國在2013年完成了GBSAA的相關(guān)技術(shù)開發(fā)，并進行了演示驗證；2015年，GBSAA系統(tǒng)開始在美國空軍基地進行列裝應(yīng)用［27］。

GBSAA的主要優(yōu)點是基于現(xiàn)有的空管技術(shù)和系統(tǒng)實現(xiàn)SAA功能，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定；主要缺點是受限于通信、雷達覆蓋面積等影響，作用范圍有限，且無法對低空小目標進行有效感知，無法形成全空域、全類型無人機的SAA功能。

2.2.2 空基感知與規(guī)避技術(shù)

ABSAA是基于機載的傳感器、數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)飛行空域的有效感知、威脅分析、路徑規(guī)劃與機動控制。由于ABSAA技術(shù)不依靠地面信息支持，能夠獨立自主完成感知與規(guī)避任務(wù)，被認為是未來長期發(fā)展的SAA技術(shù)，也是無人機自主化、智能化發(fā)展的必然趨勢［28］。隨著無人機相關(guān)材料、能源、動力系統(tǒng)，以及傳感器技術(shù)、高性能數(shù)據(jù)處理技術(shù)、高速可靠通信技術(shù)的發(fā)展，基于多種合作式和非合作感知方式的機載SAA技術(shù)得到了研究和發(fā)展。

（1）合作式SAA技術(shù)

合作式SAA通過應(yīng)答機制、數(shù)據(jù)鏈路實現(xiàn)空中交通的有效監(jiān)管和分離、規(guī)避功能。合作式SAA能夠?qū)崿F(xiàn)空管數(shù)據(jù)的有效接入和空管系統(tǒng)的可靠監(jiān)管，是未來無人機空域集成的必要手段。目前主要的合作式SAA技術(shù)包括T-CAS SAA技術(shù)和ADS-B SAA技術(shù)。

T-CAS系統(tǒng)是一種在有人機上得到廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)［29］，作為民用飛行器的主要防撞技術(shù)手段，經(jīng)歷了長期的飛行驗證，技術(shù)較為成熟穩(wěn)定。MIT實驗室長期研究基于T-CAS技術(shù)的無人機感知與規(guī)避，2006年基于RQ-4的感知與規(guī)避能力需求，對遭遇模型、碰撞風(fēng)險、飛行特性、故障診斷進行了原理分析和驗證，實現(xiàn)了基于T-CAS II的SAA測試。ADS-B是美國NextGen計劃中的一項變革性技術(shù)，依靠衛(wèi)星定位，具有精度、體積、功耗優(yōu)勢，能夠獨立于地面、空中交通信息完成空情感知。2012年以來，包括NASA、美國空軍、MITRE等多個研究機構(gòu)和組織著手ADS-B SAA的研究，并完成了感知與規(guī)避的相關(guān)測試。2013年4月，R3公司完成了基于ADS-B的感知與規(guī)避系統(tǒng)的演示驗證，通過虎鯊無人機搭載該系統(tǒng)，成功實現(xiàn)全自主的碰撞規(guī)避功能。ADS-B系統(tǒng)作為下一代監(jiān)視技術(shù)在民航領(lǐng)域得到了極大關(guān)注［30］。

合作式感知方式的前提是本機與空域其他飛行器能夠建立基于應(yīng)答機制或廣播的合作式信息交互通道，難以保證在真實飛行環(huán)境中非合作目標存在情況下的感知與規(guī)避，因此，單一的合作式感知與規(guī)避技術(shù)難以真正保證無人機的空域飛行安全。

（2）非合作式SAA技術(shù)

非合作SAA通過機載各類傳感器實現(xiàn)無人機對各類飛行空間目標的有效感知，包括目標檢測、跟蹤、威脅估計，并根據(jù)感知信息實現(xiàn)對目標的有效規(guī)避。非合作SAA技術(shù)能夠不依靠地面信息和通信鏈路支持，實現(xiàn)獨立自主的空域感知與規(guī)避，是未來全空域、全類型無人機感知規(guī)避技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。適用于非合作SAA的主要探測手段包括光學(xué)、紅外、雷達、激光雷達等。

雷達是大中型軍用無人機的主要傳感器，具有探測距離遠、全天候感知的優(yōu)勢，適用于對各類空中目標的有效感知?；诶走_的感知與規(guī)避技術(shù)近年來得到了廣泛的研究。MIT的林肯實驗室設(shè)計了一種基于Step-Notch的Ku波段感知與規(guī)避雷達，通過3個天線陣列實現(xiàn)220o×30o的空域感知范圍覆蓋；美國海軍計劃在兩架RQ-4無人機上對該雷達進行安裝應(yīng)用與功能測試。針對中小型無人機載荷能力有限的特點，Denver大學(xué)設(shè)計了一種體積小、質(zhì)量輕、功耗低的雷達系統(tǒng)，可應(yīng)用于中小型無人機的感知與規(guī)避任務(wù)。然而，在針對低空、小型、慢速運動目標和近地應(yīng)用場景中，雷達系統(tǒng)具有其感知局限性。

光學(xué)傳感器是無人機系統(tǒng)的必備傳感器，能夠完成包括對空、對地觀測、輔助操作與導(dǎo)航等任務(wù)。光學(xué)傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、低成本、低功耗等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的飛行空間數(shù)據(jù)獲取，特別適用于中小型無人機的感知與規(guī)避任務(wù)。近年來，針對視覺SAA中的目標感知、規(guī)避控制、系統(tǒng)設(shè)計與評估等內(nèi)容引起了廣泛關(guān)注。DRA在NASA的支持下，設(shè)計了一種基于視覺的SAA系統(tǒng)，用于實時檢測、跟蹤算法驗證以及遭遇場景的數(shù)據(jù)收集等。ARCAA在視覺目標檢測、規(guī)避控制、系統(tǒng)設(shè)計等方面都取得了很大進展。光學(xué)傳感器應(yīng)用于感知與規(guī)避系統(tǒng)中的主要障礙包括：圖像數(shù)據(jù)處理計算量較大，在機載計算機等計算能力有限的場合實時應(yīng)用有一定困難；視覺傳感器不能直接獲取目標的深度信息，基于視覺的深度估計往往會帶來復(fù)雜機動的額外代價。

除此之外，針對無人機的特定應(yīng)用環(huán)境和飛行器屬性，激光雷達、聲吶、立體視覺、超寬帶技術(shù)等傳感器被應(yīng)用于感知與規(guī)避任務(wù)中，并有針對性的進行了相關(guān)的算法開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計。

（3）基于多源信息融合的SAA技術(shù)

考慮到單一信源感知方案在應(yīng)用場景、作用范圍、檢測精度等方面的局限性，無法在未來空域集成的復(fù)雜場景中實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的感知與規(guī)避。感知與規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)綜合多種探測手段，基于信息融合框架，利用合作式、非合作式多通道信息，實現(xiàn)高可靠性的空域感知能力，保障無人機的空域飛行安全。

GA-ASI在2013年完成了一項基于多源信息融合的感知與規(guī)避系統(tǒng)，利用ADS-B、T-CAS、Due-Regard雷達信息進行融合碰撞預(yù)估和顯示，系統(tǒng)測試證明了其多源信息融合SAA系統(tǒng)在威脅檢測、系統(tǒng)可靠性方面的優(yōu)勢。Fasano G在文獻［31］中設(shè)計描述了一種融合光學(xué)、雷達傳感器的全自主無人機防撞系統(tǒng)，并對信息融合目標檢測、多信源綜合決策、機動控制等進行了說明，仿真和實驗證實了算法和系統(tǒng)的有效性。多源信息融合SAA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理、傳輸復(fù)雜，存在著包括軟、硬件等多種應(yīng)用障礙需要解決。

3 無人機感知規(guī)避概念與建模

3.1 無人機感知規(guī)避概念

在當(dāng)前階段，感知規(guī)避是無人機系統(tǒng)與有人機系統(tǒng)的看見并規(guī)避功能對等的技術(shù)功能。1968年，美國FAA在FAR 91.113 中提出：“…在氣象條件允許的情況下，無論在視距飛行規(guī)則下或者儀表飛行規(guī)則下，飛行操作人員需保持警覺，實現(xiàn)看見并規(guī)避其他飛行器的功能…”。FAA認為無人機空域飛行的前提是能夠?qū)崿F(xiàn)與有人駕駛飛行器等價的飛行安全（Equivalent Level of Safety， ELOS）的能力，即感知與規(guī)避功能，其功能實現(xiàn)包括空中交通自動分離和碰撞規(guī)避，包括FAA、DoD、EUROCAE等對SAA的定義均體現(xiàn)了上述特點。

感知與規(guī)避的功能實現(xiàn)是一系列相互關(guān)聯(lián)的算法、功能執(zhí)行的結(jié)果，包括目標檢測、跟蹤、威脅評估（威脅判定、威脅排序與分級）、規(guī)避決策與路徑規(guī)劃、規(guī)避機動等過程。

圖2 無人機感知規(guī)避過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of UAV SAA

●檢測：實現(xiàn)空間環(huán)境感知的第一步，是對空間環(huán)境進行障礙檢測，獲取空中可能存在碰撞威脅的動態(tài)或靜態(tài)目標。

●跟蹤：通過有效的估計、跟蹤算法實現(xiàn)飛行空間目標的飛行狀態(tài)估計，包括位置、速度等。

●威脅評估：根據(jù)目標的運動狀態(tài)和空間分離規(guī)則對碰撞進行威脅程度的計算；存在多個碰撞威脅目標時，對目標進行基于威脅程度的等級劃分和先后排序。

●規(guī)避決策與路徑規(guī)劃：根據(jù)威脅評估結(jié)果判定給出飛行管理決策，根據(jù)計算得到的最小分離點（Closest Point of Approach，CPA）、碰撞時間（Time To Collision，TTC）等計算規(guī)避路徑。

●規(guī)避機動：通過機動輸出執(zhí)行規(guī)避決策和規(guī)避路徑跟蹤。

3.2 無人機感知與規(guī)避建模

感知與規(guī)避的系統(tǒng)模型如圖3所示，以目標的屬性（如合作/非合作）、飛行狀態(tài)（位置、速度、飛行航路、機動動作）為輸入，以有效的規(guī)避機動指標（如規(guī)避分離距離、碰撞預(yù)留時間、規(guī)避機動等）為系統(tǒng)輸出。

在信息感知模塊，本機j通過具體的空域感知設(shè)備配置對目標的狀態(tài)進行有效感知，獲得本機j對目標i的感知數(shù)據(jù)yi,j作為模塊的輸出。在該模塊中，氣象、電磁等環(huán)境干擾θ往往會增加傳感器數(shù)據(jù)噪聲，降低感知質(zhì)量。在安全評估與優(yōu)化控制模塊中，以空域感知數(shù)據(jù)yi,j、本機j的導(dǎo)航數(shù)據(jù)為輸入，完成感知與規(guī)避功能，以運動控制量為輸出至無人機的控制器，執(zhí)行規(guī)避機動。在無人機空域集成狀態(tài)下，無人機的威脅估計與機動控制要充分考慮空中交通管理的相關(guān)規(guī)定與數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)?。

安全評估與優(yōu)化控制是無人機感知與規(guī)避的核心算法功能，該環(huán)節(jié)決定了無人機感知與規(guī)避功能的實現(xiàn)質(zhì)量，該模塊的機動輸出由以下幾個指標共同決定：

●安全性：SAA的最主要目的是保證無人機的空域安全，即以安全性作為SAA系統(tǒng)和算法設(shè)計的最高指標。

●高效性：高效性是智能系統(tǒng)的重要特性。無人機感知與規(guī)避技術(shù)中，目標的信息感知和具體路徑規(guī)劃和機動控制均需體現(xiàn)這一特點。

●精確性：精確性是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重要保證。在無人機感知與規(guī)避功能中，體現(xiàn)為對目標的精確檢測和狀態(tài)描述。

基于上述指標，通過對無人機感知與規(guī)避功能優(yōu)化的能量函數(shù)Jj進行優(yōu)化，求解規(guī)避機動控制：

圖3 無人機感知與規(guī)避系統(tǒng)模型Fig.3 UAV SAA system model

公式（1）中的 ()D?為目標的感知性能指標函數(shù)，在給定的目標和本機的運動方程：

和一定傳感器配置S下的量測方程：

可得目標的感知功能函數(shù)如下：

其中VT為對目標機運動模型的先驗假設(shè)為優(yōu)化權(quán)重參數(shù)，為目標狀態(tài)估計誤差。感知優(yōu)化的目標是在一定的時間窗h內(nèi)，根據(jù)本機狀態(tài)、感知數(shù)據(jù)、本機運動控制，實現(xiàn)對目標的估計誤差最小的過程。公式（4）中，D(?)越大代表目標估計誤差越小。

P(?)為目標威脅程度函數(shù)，通過計算在一定的時間窗內(nèi)本機安全包絡(luò)內(nèi)存在目標的概率：

圖4 球形安全包絡(luò)示意圖Fig.4 Spherical envelope diagram

C(?)為本機任務(wù)效率函數(shù)，在給定任務(wù)屬性中，反應(yīng)為當(dāng)前的飛行器狀態(tài)對預(yù)設(shè)的任務(wù)狀態(tài)的跟蹤情況：

KC1＞0和KC2＞ 0 為權(quán)重參數(shù)，C(?)越大，代表本機運動執(zhí)行效率越高，反之則機動消耗較大，任務(wù)執(zhí)行較差，如圖5。

在感知與規(guī)避過程中，當(dāng)目標出現(xiàn)在視場中時，通過感知函數(shù)D實現(xiàn)最優(yōu)的目標估計，特別是在存在部分量測信息缺失的場景下，通過本機的優(yōu)化機動與聯(lián)合估計，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標狀態(tài)的有效估計；對P函數(shù)的優(yōu)化機動輸出能夠保障在一定概率意義下本機與目標機的碰撞概率小于給定的概率；而C的功能，即保證通過最小的機動和感知代價實現(xiàn)上述功能。

圖5 本機航路跟蹤示意圖Fig.5 Local route tracking diagram

4 無人機感知規(guī)避關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無人機空域感知技術(shù)

實現(xiàn)有效的空域感知是進行障礙規(guī)避的必要前提。充分考慮傳感器屬性、平臺屬性和飛行空域的相關(guān)規(guī)則，有針對性的進行無人機傳感器配置，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高質(zhì)量的信息獲取，大大提高感知與規(guī)避效率。

首先，對無人機空域感知傳感器配置應(yīng)充分考慮各傳感器的作用方式、應(yīng)用范圍和功能參數(shù)，能夠針對不同應(yīng)用場景的感知規(guī)避要求進行有效的空域感知數(shù)據(jù)獲??；進一步，在進行機載感知與規(guī)避系統(tǒng)設(shè)計時還應(yīng)考慮無人機平臺的空間操作特性（如飛行空域、飛行速度、機動等）、載荷能力、任務(wù)功能等約束，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器在機載平臺的有效加裝；另外，無人機的感知配置應(yīng)滿足相關(guān)空域飛行的配置要求和準入條件，如飛行規(guī)則（目視飛行規(guī)則、儀表飛行規(guī)則等）、通信鏈路（應(yīng)答機、空管監(jiān)控系統(tǒng)等）。

空域目標感知算法是在有效的傳感器配置情況下，通過對感知數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)目標檢測、定位與跟蹤的過程。無人機飛行空間不同，面臨的感知目標也不同，高空無人機要實現(xiàn)對遠距離、高速運動目標的精確狀態(tài)估計；低空無人機環(huán)境復(fù)雜，感知目標不僅包括空中運動目標，也包括地形、建筑物等靜止目標。在特定的感知配置下，可靠的目標檢測和精確的目標狀態(tài)估計是后續(xù)威脅估計和路徑規(guī)劃的主要依據(jù)。

4.2 無人機規(guī)避路徑規(guī)劃技術(shù)

無人機規(guī)避路徑規(guī)劃功能是在本機機動包絡(luò)范圍內(nèi)，通過優(yōu)化規(guī)避航線和控制輸出，實現(xiàn)最大化安全函數(shù)P(?)和最小化消耗函數(shù)C(?)。目前針對SAA的路徑規(guī)劃可分為兩種，即全局路徑規(guī)劃算法和局部規(guī)避算法，分別對應(yīng)路徑分離和碰撞規(guī)避兩種功能。

4.2.1 全局路徑規(guī)劃算法

全局路徑規(guī)劃算法能夠?qū)崿F(xiàn)全局意義下的碰撞規(guī)避路徑求解，從而以較輕微的機動完成SAA功能，具有更小的機動代價和碰撞風(fēng)險。但全局規(guī)避路徑規(guī)劃算法的實現(xiàn)依賴于對無人機飛行空間的障礙物狀態(tài)信息完全、精確已知，且計算量相對較大，實時性差。在基于合作式ADS-B信息或基于GIS信息的碰撞規(guī)避中，空中目標航線或地面地形、建筑物等信息完全已知的情況下，可基于全局路徑規(guī)劃實現(xiàn)碰撞規(guī)避。常見的全局路徑規(guī)劃算法包括狀態(tài)空間搜索算法和啟發(fā)式算法，狀態(tài)空間搜索算法通過將包含本機和碰撞目標信息的狀態(tài)空間進行離散化，建立目標函數(shù)進行最優(yōu)路徑搜索，實現(xiàn)全局最優(yōu)，但是計算量大。啟發(fā)式算法是基于啟發(fā)式優(yōu)化算法，建立規(guī)避碰撞優(yōu)化函數(shù)，尋找最優(yōu)規(guī)避路徑，包括遺傳進化算法（GA）、蟻群算法（ACO）、粒子群優(yōu)化（PSO）等。

表4 空域感知傳感器作用方式、應(yīng)用范圍和功能參數(shù)Table 4 Airspace sensing sensor mode of action，application range and function parameters

4.2.2 局部路徑規(guī)劃算法

反應(yīng)式路徑規(guī)劃算法是在飛行空間環(huán)境信息局部已知、目標感知精度有限的情況下，依據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和感知數(shù)據(jù)，對下一步的規(guī)避路徑和控制輸出進行求解，實現(xiàn)局部路徑規(guī)劃。在針對非合作目標的感知過程中，目標的感知信息往往是不精確、不完備的，需通過反應(yīng)式規(guī)避算法，進行應(yīng)急機動控制輸出，實現(xiàn)對非合作目標的有效規(guī)避。

在感知與規(guī)避過程中，空域目標環(huán)境復(fù)雜，包含靜止、運動，合作式、非合作式等多種目標，在進行規(guī)避路徑規(guī)劃算法設(shè)計時，應(yīng)充分考慮目標特性，充分利用全局、局部感知信息，實現(xiàn)規(guī)避效能的最大化。

5 總結(jié)與展望

無人機感知與規(guī)避技術(shù)是復(fù)雜和系統(tǒng)的工程，涉及到政策標準、規(guī)則制定、飛行控制、航路規(guī)劃、傳感器技術(shù)等多個層面。為保證不同類型的無人機能夠在空域有條不紊的執(zhí)行任務(wù)，感知與規(guī)避技術(shù)是未來無人機空域飛行和應(yīng)用的一項核心保障技術(shù)，其研究應(yīng)與現(xiàn)有的空域體系協(xié)同發(fā)展，互相促進。

表5 常見的局部路徑規(guī)劃算法Table 5 Common local path planning algorithm

（1）盡快完善無人機相關(guān)的航空法規(guī)和相關(guān)政策，為SAA技術(shù)的研究提供導(dǎo)向性參考；對無人機飛行空域進行合理的空域定義及分配、完善空域飛行規(guī)則與制度，保證同一類型的無人機都能夠遵守同一的規(guī)則飛行；在民用領(lǐng)域建立無人機的空域管理辦法以及空管流程，并對無人機操作手進行規(guī)范性的培訓(xùn)及考核。

（2）以相關(guān)法規(guī)、政策為主要功能和技術(shù)指標，進行SAA系統(tǒng)設(shè)計和算法研究，并完成系統(tǒng)測試；設(shè)計并制定無人機感知與規(guī)避風(fēng)險評估系統(tǒng)，對無人機的SAA系統(tǒng)進行規(guī)范的性能評估。

（3）根據(jù)SAA相關(guān)的測試結(jié)果和技術(shù)分析，完成SAA系統(tǒng)和技術(shù)的相關(guān)標準和指導(dǎo)性文件，制定無人機空域通行規(guī)則。

同時，無人機作為一類自主移動機器人， 感知與規(guī)避能力也是無人機自主化、智能化的一個必要能力，隨著應(yīng)用的進一步擴展，空域的“擁擠”成為亟待解決的問題。與此同時，無人機碰撞事故對人民生活及財產(chǎn)安全造成巨大威脅。提高無人機感知與規(guī)避能力是確保無人機自主安全航行的必要條件，更是無人機向智能化邁進的保障和基礎(chǔ)。