用于海上作战的无人驾驶飞机系统；具有软件在环评估的感知和规避子系统
无人驾驶航空系统在现代社会中的重要性不断增加，但也带来了许多未解决的问题。其中之一是在非隔离空域运行这些系统时面临的法律问题。
为了解决碰撞风险，需要开发和测试可靠且安全的机制。介绍海上巡逻无人空中系统开发的感知和规避子系统。
系统通过全球定位系统获取无人机位置，通过数据链路与地面控制站报告其他飞行物的位置。
算法基于博弈论，以统一处理威胁检测和防撞机动。这项工作是在名为"海鸥"的研究项目中完成的，旨在提高海上态势感知能力并解决碰撞问题。
大多数沿海国家在海上态势感知方面存在问题，资源有限且巡逻区域广阔。
无人驾驶航空系统(UASs)作为一种低成本且高效的替代方案受到关注。
然而，在非隔离空域中使用UASs存在法律和安全问题，特别是避免碰撞的需求。介绍为海上巡逻无人空中系统开发的感知和规避子系统。通过全球定位系统获取UAS位置，通过数据链路报告其他飞行物体位置。
基于博弈论的算法统一处理威胁检测和防撞机动，并针对海上巡逻场景进行研究。文中提及的方法基于动态规划技术，使用确定性差分零和游戏理论框架。
该方法可以识别任意形状的威胁区域，并在离线计算最佳控制命令，实时操作要求较低。是海鸥项目的扩展，通过仿真验证了所提算法的有效性，并对项目成果进行了讨论。
海鸥系统采用开放架构，利用标准组件、协议和接口构建。
系统结构包括平台命令和控制功能（SEC2）以及用于探测物体的有效载荷传感器和系统（SEP）。系统由计算部件和硬件组件构成。计算部件负责导航控制和任务有效载荷软件，而硬件组件包括无人机本身，负责执行飞行操作。这种架构提供了互操作性、灵活性和耐用性，并降低了开发和建设的时间和成本。
海鸥系统的平台指挥和控制系统采用Piccolo自动驾驶仪作为核心设备，通过DGPS、惯性和大气数据传感器控制无人机的发动机和操纵面。
自动驾驶仪与嵌入式命令和控制计算机（SEC2）通过串行链路通信，SEC2通过以太网与有效载荷子系统（SEP）通信。此外，自动驾驶仪还与地面控制站（ETC2）通过无线电链路连接，并与有效载荷地面站（ETP）进行相关数据传输。
计算机采用PC104架构，具有高处理能力和模块化设计，SEC2和SEP计算机分别由主板和扩展板组成。无人机配备AIS和计算机视觉系统，用于接收船只的自报信息和进行目标检测与跟踪。地面站采用坚固的笔记本电脑，适应恶劣环境条件。
海鸥系统使用机器人操作系统（ROS）中间件进行开发，具有数据记录和丰富的函数库。在各项验证和任务执行飞行中，系统表现良好，各组件在不同气候条件下运行稳定可靠。
海鸥系统由无人机、地面控制站（GCS）、有效载荷站（ETP）和外部SISOM站组成。通信通过UHF波段和卫星通信建立。ETC2控制和监控无人机子系统，ETP监测任务数据。无人机包括结构、推进、通信、辅助飞行、电源、有效载荷和主飞行子系统。Alfa Extended无人机具有特定参数。各子系统实现控制、通信和任务功能。
控制策略利用确定性微分二人零和博弈理论，受控飞机的目标是避免进入禁区，这些禁区是根据先验模型来描述飞机和障碍物运动而确定的。
控制器扩展了Nimmich和Goward的方法，考虑了具有瞬时速度改变能力和受限曲率运动的障碍物。还讨论了该控制器在计算机平台上的实现。
为提出一种针对最坏情况调整的防撞系统，确保与同速或低速飞行物体的碰撞安全。该系统是完全反应式的，不需要预先了解障碍物的轨迹。
所提出的感知和规避系统基于确定性差分零和博弈框架，相较于纯几何方法具有优势，能够识别任何形状的飞机禁区的威胁区域。
该方法对非简单形状的禁止区域（如3D圆柱体）减少偏离期望路径的次数。此方法对实时操作要求低，因为最佳指令针对每个可能的障碍物相对姿态是离线计算的。
通过模拟测试，该系统符合原型开发目标。原型展示了无人驾驶飞行器在巡逻葡萄牙专属经济区方面的实用性，提高了飞行器的安全性能。
测试的防撞算法对于搜索与救援以及海上监视等任务的发展具有重要贡献，提升对海上情况的认知，并降低人为因素对任务操作成本的影响。
参考文献
1. Nimmich J, Goward D. Maritime domain awareness: the key to maritime security. Leg challenges. Marit Secur, Leiden
2. Geyer CM, Singh S, Chamberlain LJ. Avoiding collisions between aircraft: state of the art and requirements for UAVs operating in civilian airspace.
