了解無(wú)人機(jī)感知避讓技術(shù)，從無(wú)人機(jī)空中態(tài)勢(shì)感知、飛行沖突預(yù)測(cè)和飛行沖突解脫三個(gè)方面對(duì)該技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

有人機(jī)上的飛行員可通過(guò)“看見(jiàn)-規(guī)避”的方式來(lái)判斷當(dāng)前態(tài)勢(shì)，針對(duì)威脅做出決策并完成規(guī)避工作以保證飛行安全，對(duì)于無(wú)人機(jī)采用的則是“感知-避讓”技術(shù)。感知避讓過(guò)程可劃分為環(huán)境態(tài)勢(shì)感知、飛行沖突預(yù)測(cè)和飛行沖突解脫三個(gè)部分：無(wú)人機(jī)通過(guò)自身攜帶的傳感器對(duì)當(dāng)前空域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，利用通信網(wǎng)將周圍態(tài)勢(shì)向合作目標(biāo)進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的飛行路線上是否存在飛行沖突，自動(dòng)生成決策指令并執(zhí)行規(guī)避動(dòng)作以應(yīng)對(duì)突發(fā)威脅，確保飛行安全。

一、無(wú)人機(jī)空中態(tài)勢(shì)感知方法

不同的傳感器可探測(cè)感知的目標(biāo)不同，根據(jù)無(wú)人機(jī)所攜帶使用的傳感器類別可將無(wú)人機(jī)態(tài)勢(shì)感知方法分為合作型和非合作型兩種。

合作型感知探測(cè)

合作是指無(wú)人機(jī)與周圍的航空器同屬一方，它們之間互相通信，能夠通過(guò)共同的通信鏈路共享當(dāng)前空域的態(tài)勢(shì)信息。比如空中交通告警與防撞系統(tǒng)（TCAS）和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等。TCAS主要由應(yīng)答機(jī)、收發(fā)機(jī)、告警計(jì)算機(jī)和告警顯示裝置等組成，該設(shè)備昂貴，主要裝載在有人機(jī)上；ADS-B是一種相對(duì)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(guò)精確實(shí)時(shí)的信息交互可為無(wú)人機(jī)提供決策引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)感知避讓。

非合作型感知探測(cè)

非合作表示無(wú)人機(jī)與周圍的航空器或物體之間沒(méi)有通信關(guān)系，無(wú)法共享各自的狀態(tài)信息，需采取主動(dòng)探測(cè)的方式。雷達(dá)和視覺(jué)傳感器等是目前常用的非合作型探測(cè)設(shè)備。雷達(dá)是利用電磁波進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)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(cè)范圍和精度與雷達(dá)的天線大小有關(guān)，天線越大則范圍越遠(yuǎn)、精度越高。光電傳感器技術(shù)也比較成熟，且具有無(wú)緣性和魯棒性等特點(diǎn)，與其他設(shè)備相比較有明顯的優(yōu)勢(shì)。

二、無(wú)人機(jī)飛行沖突預(yù)測(cè)方法

無(wú)人機(jī)飛行沖突預(yù)測(cè)是在周圍環(huán)境進(jìn)行感知并獲得當(dāng)前態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上采取某種預(yù)測(cè)方法對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的飛行狀態(tài)作出推測(cè)，判斷是否存在飛行沖突，是無(wú)人機(jī)感知避讓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前，主要預(yù)測(cè)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(guò)建立概率性沖突預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)判斷航空器在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)是否存在飛行沖突。Lygeros PJ 和Prandini M提出了短期預(yù)測(cè)和中期預(yù)測(cè)兩種模型：短期預(yù)測(cè)模型是預(yù)測(cè)未來(lái)幾秒到幾分鐘內(nèi)的飛行情況，此時(shí)若存在無(wú)人機(jī)飛行沖突，則必須通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)規(guī)避動(dòng)作；中期預(yù)測(cè)模型則是用來(lái)對(duì)未來(lái)數(shù)十分鐘內(nèi)的飛行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷將來(lái)時(shí)間內(nèi)有無(wú)飛行沖突，若存在飛行沖突則通過(guò)防撞算法進(jìn)行機(jī)動(dòng)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(jì)算的方法來(lái)求解飛行沖突可能發(fā)生的概率，計(jì)算量較大，現(xiàn)有嵌入式計(jì)算機(jī)的處理速度尚不能完全滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，因而概率性沖突預(yù)測(cè)法在實(shí)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(cè)模型，通過(guò)劃設(shè)保護(hù)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(jī)因素和探測(cè)設(shè)備誤差的影響，通過(guò)選取橢球壯保護(hù)區(qū)模型建立了常速模型和沖突探測(cè)模型，運(yùn)用卡爾曼濾波的方法對(duì)航空器的航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，排除了不可能發(fā)生沖突的航空器進(jìn)而減少了計(jì)算量。幾何分析法簡(jiǎn)單直觀，計(jì)算量小，可以滿足實(shí)際需要。但目前對(duì)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(wú)人機(jī)飛行沖突解脫方法

無(wú)人機(jī)感知避讓的最終目的是化解飛行沖突，在無(wú)人機(jī)自主預(yù)測(cè)到飛行沖突前，必須立即依據(jù)解脫方法進(jìn)行機(jī)動(dòng)，保證無(wú)人機(jī)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(guò)對(duì)計(jì)劃航路點(diǎn)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(wú)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(wú)人機(jī)正常飛行隊(duì)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(shí)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(duì)二維情況下的合作型目標(biāo)，包括勢(shì)場(chǎng)法、路徑規(guī)劃法和幾何方法等。勢(shì)場(chǎng)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(jì)劃航路點(diǎn)對(duì)無(wú)人機(jī)是吸引作用，吸引無(wú)人機(jī)朝著目標(biāo)方向飛行，同時(shí)，空域內(nèi)的其他航空器或物體對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生排斥的力，在引力和斥力的合力作用下，使無(wú)人機(jī)在盡可能保持原航線的基礎(chǔ)上安全飛行。無(wú)人機(jī)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(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)無(wú)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(gè)以入侵航空器為中心的球體保護(hù)區(qū)，無(wú)人機(jī)到保護(hù)區(qū)的所有切線構(gòu)成碰撞錐，調(diào)整無(wú)人機(jī)的相對(duì)速度與球體保護(hù)區(qū)相切，此時(shí)可求解無(wú)人機(jī)的最優(yōu)解脫路線。

目前，無(wú)人機(jī)的防撞能力與有人機(jī)相比還存在差距，感知避讓技術(shù)還不夠成熟，沖突預(yù)測(cè)和解脫算法大多局限在雙擊和二維空間，尚不能滿足無(wú)人機(jī)在保證飛行安全的前提下與有人機(jī)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(shí)時(shí)性的方向發(fā)展，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)對(duì)周圍環(huán)境的探測(cè)能力、態(tài)勢(shì)感知能力、預(yù)測(cè)沖突和解決沖突的能力，發(fā)展機(jī)遇數(shù)據(jù)融合的多傳感器組合方式進(jìn)行探測(cè)，解決三維空間內(nèi)多機(jī)間的沖突問(wèn)題，大幅提高無(wú)人機(jī)的防撞能力和安全水平。同時(shí)，改進(jìn)和完善無(wú)人機(jī)防撞制度和體系，將制度體系與防撞技術(shù)相融合是無(wú)人機(jī)防撞工作的又一發(fā)展趨勢(shì)。

本期素材部分來(lái)自：《火力與指揮控制》第42卷第4期景曉年等撰寫(xiě)的《無(wú)人機(jī)感知避讓技術(shù)分析》（本公號(hào)引用僅用于交流學(xué)習(xí)）