城市环境下无人机飞行路径决策规则

格雷厄姆·沃里克

城市环境的复杂性制约了无人机的使用。为了使得无人机能够在城市环境下的载人、货物运输等梦想成为现实，研究人员正积极探索控制城市大规模无人机交通流的方法，值得高度关注。

在正确的道路上行驶，在红绿灯处停车，在转弯前发信号，所有这些都是我们现在认为理所当然的道路规则，但经过几十年的发展，其中一些规则的起源可能只能在历史上追溯了。现在想象一下，尝试如何科学地定义这些规则，并以安全的方式实施它们，在未来几十年或几百年内，不会对交通流量和增长施加意外的限制。

这正是世界各地的研究人员在努力开发空中交通管理系统构建时所做的工作，将使无人机系统能够在城市地区进行常规和安全的大规模操作，从运送包裹的无人机到运送人的自主飞行出租车。2017年1月，美国航空航天研究所

（American Institute of Aeronautics and astronautics）在德克萨斯州葡萄藤市召开的科学技术会议，让人对地面交通从未发生过的空中飞行过程有了一个发人深省的认识，对替代性基本空中“道路规则”进行科学探索和评估。

想象一下明天的城市峡谷里挤满了飞机，飞机在不同的高度、以相反方向飞行，加入或离开交通流，随意停飞，在任何程度上都像是《星球大战》电影或《第五元素》中的场景。这能安全有效地实现吗？

这种空域的复杂性远在未来，但即使是在城市中的常规无人机交付也需要一些地面规则，例如“道路”的哪一边飞行，相隔多远，谁让路给谁？此外，如今的小型无人机很容易受到街道上狂风的影响，而且GPS在城市峡谷中不可靠，常规和安全操作面临的挑战往往令人望而生畏。

空中通道

空中走廊

美国宇航局艾姆斯研究中心（Ames Research Center）正在探索城区无人机交通流控制的潜在替代操作概念。正如科学技术研究者江大松所阐述的，基本概念是空中通道（sky-lane）、空中管道（skytube）和空中走廊（sky-corridor）。在空中通道上，无人机必须沿着每条通道的中心线行驶；在空中管道上，无人机可以在每条管道内自由移动，但在这两条通道上，车辆只能朝一个方向飞行。在空中走廊上，它们可以向任何方向飞行，但无人机必须保证安全分离。

一个概念是将建筑物之间的空域按高度分成多个层次，每一层都复制下面的道路系统，在交叉口处形成一条带状交汇通道，需要“交通信号”来控制流量。另一种方法是给每条带状通道一个独立的层，然后将它们堆叠起来，这样它们就不会在穿过交叉路口时交汇。空中只能容纳一半的通道，这减少了空域利用率，但不间断的通道增加了吞吐量。

有了空中通道，无人机可以通过横向移动改变一条带内的通道，通过层间移动改变高度，并在交通信号灯处左转或右转到交叉带上。在一些设计中，出口匝道允许右转。在最复杂的概念中，堆叠的通道有交替的方向和连接各层的坡道，这样车辆不仅可以移动到交叉带，还可以反向移动——一个多层的绝缘管连接点，可以保持无人机空中交通的流动。

空中管道的概念是类似的，但由于其在管道内移动的自由度增加，系统可以通过将无人机过渡航路点和时间窗分配给交叉口来控制交通流，而不是使用交通信号。在空中走廊的概念中，每架无人机本身决定如何在交叉走廊之间过渡，而流量控制系统只批准或拒绝该计划。

江大松提出的无人机交通管理的一个关键问题是通道上无人机之间的距离。对于固定翼飞机来说，尾流旋涡可以设置安全间隔，但是在建筑物之间空域飞行的旋转翼无人机能够停止和盘旋。因此，安全系数是制动距离，与汽车一样，纵向分离将由速度、机动性和传感器能力决定。

无人机选择那条通道取决于无人机类型和需求，并确保在空中不碰撞。关于未来无人机交通控制的决策可能是持久的，希望这些决策会更科学。■