無人機感知避讓技術(shù)分析

景曉年，梁曉龍，張佳強，朱磊

（空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安710051）

無人機感知避讓技術(shù)分析

景曉年，梁曉龍，張佳強，朱磊

（空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安710051）

無人機的安全性能特別是防相撞能力是影響無人機發(fā)展的一個重要因素，無人機感知避讓技術(shù)是防止無人機發(fā)生相撞事故的重要保證。為了解和發(fā)展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3個方面對當前感知避讓技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)介紹，探討了無人機防相撞工作的發(fā)展趨勢。

無人機，感知避讓，態(tài)勢感知，沖突預(yù)測，沖突解脫

0 引言

隨著科技的發(fā)展進步，無人機在軍民等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。發(fā)展和應(yīng)用帶來大量的無人機飛行活動，這直接影響到復(fù)雜空域內(nèi)的飛行安全。空中相撞和地面撞擊是無人機可能引發(fā)的主要安全威脅［2］。空中相撞包括無人機與無人機相撞和無人機與有人機相撞，其中，無人機與有人機之間相撞會造成更為嚴重的后果，因而是主要的研究對象。為了防止發(fā)生無人機與有人機相撞這類嚴重的飛行事故，目前普遍采取物理隔離的方法，將無人機限制在特定的空域內(nèi)活動［3］。

但無人機不會一直被限制在特定的空域內(nèi)，與有人機共享空域是無人機發(fā)展的趨勢，無人機的安全水平成為判斷無人機是否可以進入有人機空域的標準［4］。防撞問題是決定無人機安全水平高低的一個主要因素，本文對無人機防撞的關(guān)鍵技術(shù)-感知避讓技術(shù)進行了歸納總結(jié)，分別介紹分析了感知避讓系統(tǒng)中的空中態(tài)勢感知技術(shù)、沖突預(yù)測技術(shù)和沖突解脫技術(shù)，最后對無人機感知避讓技術(shù)進行了總結(jié)與展望。

1 無人機感知避讓技術(shù)

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、針對威脅作出決策并完成規(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)［5］。感知避讓過程分為環(huán)境態(tài)勢感知、飛行沖突預(yù)測和飛行沖突解脫3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，感知避讓流程如圖1所示。

圖1 無人機感知避讓流程圖

感知-避讓系統(tǒng)作為保障無人機安全運行中一個重要的環(huán)節(jié)，需滿足以下幾點需求:首要目的是執(zhí)行間隔規(guī)定避免與有人機（無人機）碰撞；次要目的是在違反間隔規(guī)定時進行自動防撞規(guī)避；必須同有人機一樣保證安全，技術(shù)水平上與飛行員“看見-規(guī)避”能力相當；與機載防撞系統(tǒng)兼容（或者兩者沒有沖突）。

2 無人機空中態(tài)勢感知方法

無人機態(tài)勢感知就是利用自身攜帶的探測設(shè)備感知周圍環(huán)境，提取相關(guān)屬性，獲取周邊信息的過程［6］。不同的傳感器可探測感知的目標也不同，因此，根據(jù)無人機所攜帶使用的傳感器類別將無人機態(tài)勢感知方法分為合作型和非合作型兩種。

2.1 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，它們之間可相互通信，能夠通過共同的通信鏈路共享當前空域的態(tài)勢信息。目前的合作型探測設(shè)備有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，裝載有這些設(shè)備的無人機可通過通信鏈路獲取合作型目標的狀態(tài)信息。

空中交通告警與防撞系統(tǒng)［7］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，設(shè)計的目的是防止航空器在空中發(fā)生相互碰撞，保證飛行安全。最初TCAS只是裝載在有人機上，然而無人機同樣可以使用，只是目前該設(shè)備對于無人機平臺來說較為昂貴，這就在一定程度上妨礙了TCAS在無人機領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)［8］是一種相對較新的技術(shù)，該系統(tǒng)由信息源、信息傳輸通道和信息處理與顯示3部分組成，ADS-B的應(yīng)用給航空器防相撞工作帶來了新的解決方法。與其他合作型探測設(shè)備相比，ADS-B具有信息全面、精度高、更新速度快等優(yōu)勢，通過精確實時的信息交互為無人機提供決策引導(dǎo)，實現(xiàn)感知避讓。ADS-B的體積和重量在一定程度上限制了其在小型無人機上的應(yīng)用，為使ADS-B可應(yīng)用于小型無人機，Robert C.Strain等研究了一套低重量、便攜式的ADS-B系統(tǒng)［9］；Florent Martel等人在北達科他大學(xué)研究的基礎(chǔ)上利用ADS-B為核心組件研制了一套可用于小型無人機的4D防撞系統(tǒng)［10］。

2.2 非合作型感知探測

非合作表示無人機與空中的其他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，因此，無人機只能采取主動探測的方式對周圍環(huán)境進行感知。雷達和視覺傳感器等是目前常用的非合作型探測設(shè)備，能夠主動探測周圍一定范圍內(nèi)包括各類航空器和鳥類在內(nèi)的所有物體。

雷達［11］是利用電磁波進行目標探測的電子設(shè)備，通過接受物體反射回的回波來獲取目標的距離、方位和高度等信息。雷達在防止航空器相撞上的研究應(yīng)用已較為成熟，能有效發(fā)現(xiàn)潛在的飛行沖突，為航空器的飛行提供決策依據(jù)。雷達的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，天線的大小直接影響到雷達設(shè)備的重量。同ADS-B等合作型探測設(shè)備相同，重量問題也極大地限制了高精度探測雷達在小型無人機上的應(yīng)用。對此，丹佛大學(xué)的無人系統(tǒng)研究所研究開發(fā)了一種只有340 g重的可供小型無人機攜帶使用的相控陣雷達系統(tǒng)。

光電傳感器［12］的檢測元件是光電元件，首先將被探測目標的狀態(tài)變化量轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號進而傳輸給計算機系統(tǒng)進行分析。光電傳感器技術(shù)已相當成熟且具有無源性和魯棒性等特點，與其他設(shè)備相比較有明顯的優(yōu)勢，因此，適合作為感知探測設(shè)備應(yīng)用于無人機感知避讓系統(tǒng)。在小型化方面，光電傳感器正向著體積小、重量輕的方向發(fā)展，使得它們可以在小型無人機上發(fā)揮優(yōu)勢作用。

3 無人機飛行沖突預(yù)測方法

無人機飛行沖突預(yù)測是在對周圍環(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。

3.1 概率分析法

概率分析法是在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 P J和Prandini M提出了短期預(yù)測和中期預(yù)測兩種模型，其中短期預(yù)測模型是預(yù)測航空器在幾秒鐘到幾分鐘內(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)避動作進行規(guī)避以防止發(fā)生碰撞；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［13-14］。Yang L C等人著重研究了航空器意圖對飛行軌跡的影響，采用在軌跡模型中包含航空器意圖信息的概率估計方法，考慮航空器意圖及其他干擾因素，利用蒙特卡羅法進行仿真來推測航空器的未來軌跡，并進行飛行沖突的預(yù)測［15］。陳曉波等人建立了一種基于概率方法的中期沖突預(yù)測模型，根據(jù)兩航空器的相遇幾何來計算最小偏移量，通過考慮航跡預(yù)測的誤差模型來積分計算沖突發(fā)生的概率，仿真證明兩機交叉角在30°～150°范圍內(nèi)相遇時，該方法具有良好的預(yù)測準確性［16］。

由于概率分析法是采取數(shù)學(xué)計算的方法求解飛行沖突可能發(fā)生的概率，計算量較大，現(xiàn)有計算機的處理速度尚不能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。

3.2 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。Folton采用計算幾何的方法建立voronoi多邊形，通過周圍航空器的數(shù)量來分析發(fā)生碰撞的可能性，提高了預(yù)測的計算速度［17］。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，通過選取橢球狀保護區(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［18］。Donald J M等人采用AOP（Autonomous Operations Planner）算法，將軌跡離散化，分割成點的集合，選取10 s間隔時間，兩航空器首先進行時間的同步，然后根據(jù)算法預(yù)測是否發(fā)生飛行沖突［19］。

幾何分析法通過建立幾何模型來預(yù)測航空器的航跡及在未來時間段內(nèi)是否存在飛行沖突，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停留在水平范圍或垂直方向上的二維空間，局限性較大。

4 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)測到飛行沖突后，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。目前的沖突解脫方法主要有離散型解脫方法與連續(xù)型解脫方法兩種。

4.1 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，在盡可能保持原航線的基礎(chǔ)上得到最大可能的無沖突飛行路線。Mondoloni S等人通過考慮由航空器速度等原因帶來的誤差，建立了基于遺傳規(guī)避算法的離散航路點模型，有效地解決了二維條件下的飛行沖突問題且在三維情況下也有較好的應(yīng)用效果［20］。劉星等人應(yīng)用遺傳算法對自由飛行條件下的沖突探測與規(guī)避進行了一定的研究，通過較少的迭代運算可得最優(yōu)解，且使航線接近理論上最省油的直線航線［21］。崔莉薇綜合遺傳算法與粒子群算法的優(yōu)點，采用遺傳粒子群算法解決了多機的飛行沖突問題，求解速度快且更接近于原航線［22］。

使用離散型解脫方法可以滿足無人機正常飛行對安全距離的要求，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出弊端。

4.2 連續(xù)型解脫方法

目前的連續(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，在引力與斥力的合力作用下，使無人機在盡可能保持原航線的基礎(chǔ)上安全飛行。Sigurd K等將無人機所受合力表示為F合=γ×F引+（1-γ）×F斥，其中γ是引力常量，表示引力在無人機受力中所占的權(quán)重，當γ=0.66時，無人機可安全無碰撞地快速到達目標點［23］。Ghosh R采用與勢場法原理類似的勢能法，將每架航空器假設(shè)為一個正電粒子、目標點假設(shè)為負電粒子［24］。李惠光等人通過將相對速度矢量應(yīng)用于人工勢場法對勢場函數(shù)作出改進，推導(dǎo)出基于速度矢量的引力函數(shù)和斥力函數(shù)，在經(jīng)過改進的勢場函數(shù)作用下，智能體可快速躲避障礙物到達指定位置［25］。李春濤等人在速度矢量場的基礎(chǔ)上提出了一種二維動態(tài)實時航路規(guī)劃方法，通過建立不同空間特征區(qū)域的速度場模型來對無人機的航路進行規(guī)劃［26］。

無人機路徑規(guī)劃法就是指依據(jù)任務(wù)要求和周圍的環(huán)境信息等因素，事先劃設(shè)出一條從起點到終點的最優(yōu)無碰撞路線。路徑規(guī)劃法的核心要素是算法，目前，主要應(yīng)用的算法有動態(tài)規(guī)劃法、A*搜索算法、遺傳算法、蟻群算法和基于粒子群優(yōu)化的航跡規(guī)劃算法等。

幾何算法具有直觀簡單易計算的特點，是無人機沖突解脫中常用的一種方法，典型的幾何算法有最小接近點法（Point of Closest Approach，PCA）和碰撞錐方法（Collision Cone Approach，CCA）。

PCA的基本原理是根據(jù)無人機與其他航空器的當前狀態(tài)信息計算雙方到達最小接近點的時間和錯開距離矢量rm，當‖rm‖≤R（最小安全間隔）且＞0時表示存在飛行沖突，此時需采取避讓措施進行規(guī)避。J.W.Park等人考慮到不同航空器因其機動性能的不同，其避撞的效率也有高有低，基于此提出一種矢量分擔(dān)的解脫方法，相同時間內(nèi)速度慢的航空器能夠完成更多的機動動作因而在解脫過程中可分擔(dān)更多的份額，這樣就能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，最大程度上保證飛行安全［27］。

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［28］。球體保護區(qū)模型通常以水平安全間隔作為避讓半徑來計算無人機的解脫路線，但在目前的安全間隔標準中，水平安全間隔遠大于垂直安全間隔，以水平安全間隔作為無人機的避讓半徑會在一定程度上提高規(guī)避的機動量，造成航線的大幅偏離。相比之下，圓柱體模型［29］則有更好的應(yīng)用效果。

連續(xù)型沖突解脫方法原理比較簡單，有效地解決了二維空間內(nèi)的飛行沖突問題，但三維空間內(nèi)多機間的沖突解脫方法還需進一步研究。

5 結(jié)論與展望

無人機作為未來各領(lǐng)域的中堅力量，其安全性能必須得到保證，感知避讓技術(shù)正是防止無人機與其他航空器等物體發(fā)生相撞事故的重要保障。態(tài)勢感知、沖突預(yù)測和沖突解脫是無人機感知避讓技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)。合作型感知探測和非合作型感知探測是目前無人機進行態(tài)勢感知的主要方式，合作型探測設(shè)備可獲取合作目標詳細全面的狀態(tài)信息，非合作型探測設(shè)備可獲取探測空域內(nèi)所有目標的信息；飛行沖突預(yù)測是無人機感知避讓過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是在獲取當前態(tài)勢的條件下對未來空中飛行狀況的一種推測，主要有概率分析法和幾何分析法；飛行沖突解脫是支撐無人機規(guī)避威脅保證安全最關(guān)鍵的一環(huán)，是防止無人機相撞的最后一道屏障，目前主要有離散型和連續(xù)型兩種解脫方法。

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機和二維空間，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)展基于數(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。

［1］KONSTANTINOS D，KIMON P V，LES A P.On integrating unmanned aircraft systems into the national airspace system［M］.2nd ed.Berlin:The Springer Shop，2012:11-42.

［2］尹樹悅，王少飛，陳超.無人機安全性指標要求確定方法研究［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2015，43（2）:154-158.

［3］International Civil Aviation Orgnization.Unmanned air craft systems（UAS）［S］.ICAO，Circular 328 AN/190，2011.

［4］Federal Aviation Administration.Special military operations［S］.FAA Order JO 7610.4，2004.

［5］XAVIER P，LUIS D，JORGE R，et al.Requirements，issues，and challenges for sense and avoid in unmanned aircraft systems［J］.J of Aircraft，2012，49（3）:677-687.

［6］吳立珍，沈林成，牛軼峰，等.無人機戰(zhàn)場環(huán)境感知與理解技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22（1）:79-84.

［7］趙鑫.空中防撞與近地告警綜合系統(tǒng)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2012.

［8］王琦.基于ADS-B的飛行航跡獲取研究與實現(xiàn)［D］.長春:吉林大學(xué)，2015.

［9］ROBERT C S，MATTHEW T D，MOODY J C.A lightweight，low-cost ADS-B system for UAS applications［C］//AIAA-2007-2750，2007.

［10］FLORENT M，MICHAEL M，NAIMA K，et al.Flight testing of an ADS-B-based miniature 4D sense and avoid system［C］//AIAA-2011-1419，2011.

［11］丁鷺飛，陳建春.雷達原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:1-12.

［12］何友，王國宏，彭應(yīng)寧，等.多傳感器信息融合及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［13］LYGEROS P J，NILIM A，SASTRY S.A probabilistic framework for aircraft conflict detection［C］//AIAA Guidance，Navigation and Control Conference，Portland，OR，1999.

［14］PRANDINI M，HU J，LYGEROS J，et al.A probabilistic approach to aircraft conflict detection［J］.IEEE Trans Intelligent Transport System，2000，1（4）:199-220.

［15］YANG L C，JANMES K.Using intent information in probabilistic conflict analysis［C］//AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference，Boston，MA，1998.

［16］陳曉波，宋萬忠，楊紅雨.一種基于概率方法的中期沖突探測算法［J］.四川大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，47（3）:483-487.

［17］FOLTON N L.Airspace design:towards a rigorous specification of conflict complexity based on computational geometry［J］.The Aeronautical Journal，1999，2（3）:584-592.

［18］李彬，吳珍珍.基于航跡預(yù)測的飛行沖突探測［J］.微處理機，2011（2）:72-75.

［19］DONALD J M，VIVONA R.Strategic airborne conflict detection of air traffic and area hazards［R］.Tech Report NASA Contract:NAS2-98005 RTO-29，TITAN Systems Corporation，SRC Division，2000.

［20］MONDOLONI S，CONWAY S.An airborne conflict resolution approach using a genetic algorithm［C］//AIAA Guidance，Navigation，and Control Conference andExhibit，Montreal，Canada，2001.

［21］劉星，胡明華，董襄寧.遺傳算法在飛行沖突解脫中的應(yīng)用［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2002，4（1）:46-49.

［22］崔莉薇.基于遺傳粒子群算法的多機飛行沖突解脫研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2012.

［23］SIGURD K，HOW J.UAV trajectory design using total field collision avoidance［C］//Proceedings of the AIAA Guidance，Navigation and Control Confenerce，2003.

［24］GHOSH R，TOMLIN C.Maneuver design for multiple aircraft conflict resolution［C］//Proceedings of the American Control C onference，Chicago，Illinois，2000.

［25］李惠光，衛(wèi)濤.基于速度矢量的機器人動態(tài)避障規(guī)劃［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31（13）:133-136.

［26］李春濤，易小芹，胡木.基于速度矢量場的無人機實時動態(tài)航路規(guī)劃［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，44（3）: 340-346.

［27］PARK J W，OH H D，TAHK M J.UAV collision avoidance based on geometric approach［C］//SICE Annual Conference，IEEE，2008:2122-2126.

［28］CARBONE C，CINIGLIO U，CORRARO F，et al.A novel 3d geometric algorithm for aircraft autonomous collision avoidance［C］//Decision and Control，2006 45th IEEE Conference on.IEEE，2006:1580-1585.

［29］LUONGO S，CORRARO F，CINIGLIO U，et al.A novel 3D analytical algorithm for autonomous collision avoidance considering cylindrical safetu bubble［C］//Aerospace Conference，IEEE，2010.

［30］沈培志，張邦鈺，聶奇剛，等.基于蟻群算法的無人機航路規(guī)劃輔助決策研究［J］.四川兵工學(xué)報，2015，36（8）: 145-148.

Analysis of UAV Sense and Avoid Technology

JING Xiao-nian，LIANG Xiao-long，ZHANG Jia-qiang，ZHU Lei
（School of Air Control and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The security performance of unmanned aerial vehicle（UAV）especially collision prevention ability is an important factor affecting the development of UAV.Sense and avoid technology is the important guarantee to prevent UAV from colliding.In order to understand and develop the sense and avoid technology，the current research statuses are summarized from air situation awareness，flight conflict detection and resolution.Finally，the development trend of UAV collision prevention work is explored.

unmanned aerial vehicle，sense and avoid，situation awareness，conflict detection，conflict resolution

V279

A

1002-0640（2017）04-0001-05

2016-02-05

2016-03-07

國家自然科學(xué)基金（61472442；61472443）；陜西省自然科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃（2013JQ8042）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃基金資助項目（2016JM6071）

景曉年（1990-），男，山東章丘人，碩士研究生。研究方向：航空集群理論與技術(shù)、沖突探測與解脫。