无人机光学避障系统飞行试验_吕柯静.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-64-航空航天查，并介绍一些关键的飞行试验内容，其中主要涉及根据飞行试验的实际需要而进行的准备、规划设计和实施结果分析方法，为评估无人机探测性能、确定安全规避能力、推进无人机正式进入公共空域提供飞行试验测试依据。常用传感器探测技术对于无人机来说，要在拥挤的空域保持分离，这就提出了一个难题，即没有人类飞行员作为最后一道防线。因此无人机探测与规避效果必须达到与有人机相当或更好的安全水平，从而帮助无人机跟踪和避开障碍物和其他飞机，保持飞行的安全性和有效性，同时还要平衡尺寸、重量和功率限制，以保持经济可行性。表 1 简要列出了常用的传感器探测技术的特性。其中，合作传感器（TCAS、ADS-B）技术用于从配备兼容航空电子设备的其他飞机接收意向信号，并确定其位置，通常比非合作技术具有更大的范围，并且更可靠。在过去几十年中，交通警报和防撞系统（TCAS）已广泛用于商业航空领域，以减少空中碰撞的危险。TCAS 是载人飞机上的一个单元，它使用转发器和定向天线系统与邻近飞机交流飞机的速度、航程和高度，以确定碰撞威胁。然而，由于无人机有效载荷和成本有限，因此 TCAS 并不适用。自动相关监视广播（ADS-B）使用全球定位系统（GPS），飞机的位置连同速度和其他相关信息（例如目的和身份）一起被广播到地面站和其他装备的飞机。商业ADS-B 的新进展使其能够以最小的尺寸、重量以及功率集成到无人机中。然而，由于其在跟踪非合作飞机方面的局限性，ADS-B 并不是一个全方位解决方案。应配备额外的机载传感器以识别没有 ADS-B 的飞机和其他冲突，例如鸟类。除了合作目标外，无人机还需要具备感知非合作空中交通的功能。目前有多种技术可用，包括有源传感器，如电磁波雷达和激光雷达，以及无源传感器，如电视/红外相机和声学传感器。这些系统通常相互独立使用，但也可以组合使用以增强探测和规避碰撞的能力。激光雷达是一种激光测距仪，可径向扫描路径以检测物体，是一种常见的障碍物检测传感器。激光雷达测距非常精确，但缺乏远距离探测能力。由于激光雷达必须来回移动，因此要获得满足探测与规避标准所需的范围，需要较大的能耗，同时还缺乏大视场。目前，激光雷达主要应用于低空避障和地形测绘，否则需要额外的探测和跟踪设备来帮助进行行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度吕柯静（1996），女，硕士，助理工程师，航空工业试飞中心，研究方向：光电探测。无人机光学避障系统飞行试验吕柯静近年来，全球范围内的空中交通量显著增加。同时，由于无人机能够在人类难以到达或需要大量设备投资来完成相关工作的地方开展任务，其数量也实现了数倍增长。然而，随之出现的是大量缺乏训练的业余飞行操作员，这导致了航空安全问题频发。为了在公共空域中实现无人机与其他飞机的融合共存，安全是首要关注的问题，也是传感、指挥、控制和通信等技术难关中需要克服的关键挑战。无人机光学避障系统旨在帮助无人机探测、跟踪和避开障碍物及其他飞机，达到与有人机“看见和避让”要求相近的安全水平。本文的主要目的是对无人机光学避障系统的飞行试验方法进行调-65-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期航空航天空中交通避障。电磁波雷达与光学系统相反，雨、烟、灰尘、雾和阳光等变量不会对其造成较大的影响。此外，电磁波雷达通常具有更大的射程，可以从更远的距离准确感知目标。光学系统的作用距离无法与电磁波雷达竞争。但是光学系统不需要主动发射能量。此外，对于雷达系统来说，更大的探测范围和更高的分辨率需要更大的尺寸、重量以及功率，因此难以集成到小型/轻型无人机上。同时，许多机载雷达系统的昂贵成本也是一个重要的问题。除了电视/红外相机，无源系统还包括声学传感器。许多研究人员都认为，使用声学传感器检测声音是一项困难的任务，这是因为在飞行中会产生由发动机、旋翼或螺旋桨产生的噪声。小型无人机可以利用声学传感器通过感应频率来探测这些飞机。随着越来越多的电子平台进入领空，将声学传感器用于障碍物探测将变得愈发困难。通常需要配备相机或雷达等附加系统来缓解声学传感器的不足。表 1 传感器探测技术性能总结传感器非合作被动气象尺寸/重量/功率范围价格TCASADS-B电磁雷达激光雷达声学光学从军事应用到民用应用，电视/红外相机都是无人机机载任务中最常用的传感器之一。与其他方案相比，计算机视觉以最佳的低成本、小尺寸、轻重量以及小功率模式提供了卓越的性能。在大多数无人机避障系统架构中，相机都用作主要或次要信息源。随着科技的发展，传感器的成本和外形尺寸将在进一步降低的同时保持原有性能。展望未来传感系统的发展方向，光学系统仍然拥有着巨大的潜力。本节讨论的每种传感技术都有其优点和缺点，在大多数天气情况下，可以使用合作传感器（TCAS、ADS-B）。除全天候的优势外，ADS-B具有成本低，满足无人机尺寸、重量以及功率限制的优势。非合作被动探测方法（声学或光学）具有成本低廉且能够检测空中非合作目标的优势，但是其探测范围远低于其他方法。此外，光学相机在恶劣天气下不准确，声学传感器分辨率低。电磁波雷达相对于小型/轻型无人机有效载荷来说很重，但确实能提供在全天候条件下工作的能力。可以安装在小型/轻型无人机上的激光雷达则存在探测范围的缺陷。综上，尽管功能有限，但基于光学传感器的无人机避障系统由于重量轻、成本低而变得越来越普遍。此外，它们比其他可用传感器提供了更多有关环境的信息，也使其成为有效载荷功率有限的无人机的理想选择。飞行试验准备无人机光学避障系统飞行测试的目的是对被试系统进行定量（飞机上系统操作相对于地面测试和实验室测试结果的差异）和定性（根据距离、物体类型、能见度和照明条件检测规避入侵机的能力）的测试。通过实际飞行测试不仅可以确定空中交通状况、目标类别以及可以检测到入侵者的距离范围，从而确定视觉系统能否提供足够的规避机动时间。还可以对很难或不可能检测入侵者的情况进行统计分析。如果实验室测试、地面测试和飞行测试结果之间存在差异，则需要确定其原因。然后在下一阶段测试之前进行更正。对于探测与规避问题，传感器分辨率 n、观察角度、探测到目标的距离 d 和探测目标的线性尺寸 L 之间的关系可以由公式（1）描述。其中，L=10m 代表运动飞机、小型通用航空飞机、中空长航时无人机的翼展或典型滑翔机的长度，利用 L 我们假设可以从排列成一行的至少四个点检测物体。从图 1 中可以看出，使用角度观察限制为 117的 4k 传感器，可以从最远 5 000m 的距离观察到 L=10m 的物体。使用 2k 或分辨率为 1 9201 080 的 HDTV1 080p 传感器，在等效条件下（d=5 000m，L=10m），最大观察角度限制为 58。通过降低分辨率，HDTV720p 传感器的最大观察角度相应地减少到 35。VGA 标准（640480，常用于红外）的对应角度为 18。据此，我们可以提前预估出被试系统的最大探测距离，为实际飞行试验的设计打下基础。42tan()2nLad=（1）对于无人机来说，保持所有飞机之间的间隔至关重要。如图 2 所示，美国联邦航空局将清晰轮廓（Well Clear 图 1 分辨率、观察角度和距离的关系图 2 清晰轮廓和近空中碰撞条件中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-66-航空航天Contours）定义为有人机和无人机之间 250ft 的垂直距离、2 000ft 的水平距离。近空中碰撞（NMAC，Near Mid Air Collision）定义为无人机周围的圆柱边界，包括无人机上方、下方 100ft 和以无人机为中心的 500ft 的半径距离。随着空中飞行器数量的增加，避免近空中碰撞变得越来越重要。防撞的目标是感知、检测和规避合作、非合作物体，并将其保持在近空中碰撞圆柱边界之外。探测和规避过程从扫描无人机周围的环境开始，到确定无人机面临威胁时执行了规避动作结束。对于检测和规避系统，我们期望具有更大的检测范围。第一次检测到目标的距离变化取决于多种因素，如目标大小、环境设置和传感器能力。如果本机和入侵飞机的速度已知，则可以根据第一次检测到目标的距离来计算碰撞时间。与此相关的是入侵时间，它定义了在碰撞不可避免之前检测和规避障碍物的最短时间。飞行试验场景设计天气是影响光学避障系统能力的主要因素之一。就像人眼一样，如果看不到入侵者，就无法检测到它。必须满足最低水平的视觉清晰度条件，才能检测和跟踪目标。同时，入侵飞机的大小、形状、颜色以及相遇方式都会影响探测范围，从而影响飞机执行必要的安全规避操作的能力。因此，可以考虑以下试验设计要素：（1）在各种空中交通情况下设计试验，例如一个或多个入侵机、不同的飞行高度、飞行速度；（2）在各种气象条件下设计试验，例如小云量、轻度朦胧、多尘、没有云层或轻度云层、部分云、完整的或几乎完整的云；（3）在各种光照条件下设计试验，例如中午时分、傍晚、日落前。为了对规避障碍物的情况进行状态评估，需要对可能的飞行遭遇场景进行分类，如图 3 所示，大致可分为平行和相交两类，其中相交又可以分为左、右相交和迎头。飞行试验执行情况在实际的飞行过程中，为了优化飞行轨迹以减少无用航段的数量，可以按照一定的顺序布置上述飞行遭遇场景，例如图 4 所示，将前一个场景的结束作为下一个场景的开始。为了确保能够正确执行回避机动，遭遇场景的设置还需要考虑飞机之间至少 2 000ft 水平间隔和 250ft 垂直间隔的安全间隔距离。这些是由前面介绍的清晰轮廓定义的距离。一旦检测到入侵飞机并认为有必要躲避，无人机将执行回避机动。自上次探测结束后或远程飞行员指示飞机继续执行任务之前，无人机不会退出回避行为。相关的试验结果表明，存在对空域中目标错误检测的可能。此外，在能见度非常好的低空飞行期间，还会对地平线下的物体产生检测误报。系统检测位于地平线上的入侵者的能力较好，也能在多个入侵物体同时出现的情况下正确检测。试验结果还表明了利用清晰轮廓和近空中碰撞边界要求，判断出光学避障系统在到达关键的近空中碰撞层之前能够提供足够的警报以进行机动。当阈值目标需要满足最后一道防线时，就像人类飞行员所做的那样，始终避免穿透近空中碰撞边界是至关重要的。但是，考虑到视觉传感器视场范围、受天气条件等因素的影响，该方案并不是一劳永逸的，还需要考虑多系统的融合，以达到更高的安全水平。结语在过去的研究中，我们可以找到许多与使用光学方法检测入侵者相关的文章，但飞行试验的准备、规划、实施和结果分析相关内容有限。本文特别关注光学避障系统飞行试验的正确准备和规划方法。所述的详细场景及其与复杂飞行计划的集成使得在一次飞行中检查光学避障系统在各种照明条件下的运行成为可能。随着数据处理算法以及硬件设备的不断改进，未来还需要考虑的测试元素包括但不限于：（1）多个入侵者同时飞行；（2）光学系统在不同规避机动期间持续跟踪入侵者的能力；（3）360全视角系统的测试方法等。图 4 飞行计划示意图图 3 遭遇场景总结