轻小型无人机的碰撞安全挑战及对策

刘小川，郭亚周，张永杰

1.中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室，陕西省 西安市 710065

2.无人机公共安全联合实验室,陕西省 西安市 710065

3.西北工业大学，陕西省 西安市 710065

我国民用无人机技术和无人机产业迅猛发展，在个人娱乐、农林植保、物流、巡检、安防、测绘等领域获得深度应用，涌现了一批优势企业，已是中国制造一张亮丽的名片。在无人机深度应用，丰富人们生活改变行业模式的同时，其安全性问题特别是碰撞安全问题日益凸显，碰撞伤人、损物的事件频发，在引爆媒体的同时也成为公众的关注焦点，国外已经全面开展相关研究和标准制定工作，意欲抢占先机，我国的管理部门、从业者和科研机构应有何种作为，是本文关注的重点。本文从无人机安全体系的构建，碰撞安全或被动安全的定义出发，探讨了轻小型无人机轻小型无人机的碰撞安全挑战，并提出了相关的对策建议。

近年以来，我国民用无人机技术和无人机产业迅猛发展，而轻小型无人机与消费者需求和工业需求紧密连接，在个人娱乐、农林植保、物流、巡检、安防、测绘等领域获得深度应用，涌现出一批明星企业和明星产品，成为中国制造一道亮丽的名片。

我国在《无人机驾驶航空器飞行管理暂行条例》中以重量标准为指标，综合无人机的其他性能指标，将无人机规划为微型、轻型、小型、和大型无人机，其中轻小型无人机主要指的是空机重量不大于15kg，最大起飞总量不大于25kg的无人机。

虽然轻小型无人机的技术复杂度和系统复杂度难以比拟有人飞机，但其作为飞行器的基本属性决定了其也必须遵循适航性(即适于安全飞行)的要求，以保证公众的安全需求获得满足。引申开来，民用航空器的适航性是指航空器能在预期环境中安全飞行(包括起飞和着陆)的固有特性，这种固有特性需要在设计和制造阶段来实现，并在后续使用中通过合适的维护和维修而持续保持。

图1 欧洲“U-Space”空域蓝图对无人机特别是市区内的无人机安全完全融入欧洲空域内

由于行业的发展速度大大超出了预期，适航性标准制定滞后，随着无人机的深度应用，特别是在城市公共空间的深度应用，各类负面案例的发生也不断引发舆论的关注，主要聚焦在两大方面：

国家安全方面：近年来频繁发生无人机侵入敏感空域事件，如飞近党政军重要目标，应用无人机开展非法测绘等，特别是国外已发生了利用小型多旋翼无人机进行恐怖袭击的案例，由于轻小型无人机的低速和低敏感性，难以有效探测，现有攻击模式下的连带损伤也是需要考虑的重点问题，对低空安防提出了巨大的挑战；

公共安全方面：媒体上报道的无人机坠落、飞行伤人损物事件不枚胜举，各地已出台各种无人机管控政策，特别是要求在人员密集场所如集会现场、交通枢纽等严禁无人机的使用，由于无人机保有量大，且大量无人机并没有在管控平台上注册，还存在大量的航模特征入门级无人机，要求重大活动、重大集会时必须采取有效的低空管控措施，以避免公对地面人员伤害和财产损失。

图 “黑飞”无人机威胁民航客机安全，机场周围开始相继布置电子围栏来围阻机场周围的无人机

无人机作为现代立体交通运输领域的新来者，如何有效融入已有体系并向公众表达其安全性，是这个行业参与者都应思考的问题。与每个成熟的行业发展路径一样，适度的监管、行业的自治、技术的推动都是关键因素，但无论从哪个角度，都不应把无人机视作毒蛇猛兽和冒险家的乐园。

无人机安体系建设思路：其他行业的一些做法

虽然预测模型各异，但行业的共识是无人机极有可能成为下一个对国民经济带动能力与汽车产业相当的新兴产业，但在加强积极监管的大背景下，改如何统一各方力量共同推进有序发展呢？回顾汽车发展史，可能对无人机行业的发展也有一定的启示。

1769年，法国人居纽制造了世界上第一辆蒸汽驱动三轮汽车。1831年，美国人哥德史沃奇将一台蒸汽汽车投入运输，提供有规律的运输服务(15km路程，耗时45min)。此后伦敦街头也出现了蒸汽驱动公共汽车，这种车比现在的筑路用的压道机还重，速度又低，常常撞坏未经铺修的路面，引起各种事故。市民们当时曾呼吁取缔这种汽车。为此英国制订了所谓的“红旗法规”，具有讽剌意味的是，由于这条法规的实施，使得英国后来在制造汽车的起步上大大落后于其它工业国家。

1885年德国工程师卡尔.苯茨制成了第一辆苯茨专利机动车，该车为三轮汽车，采用一台两冲程单缸0.9hp的汽油机，此车具备了现代汽车的一些基本特点，例如火花点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬架、后轮驱动前轮转向和制动手把等，由此人类社会开始进入汽车时代。

但是汽车大规模应用后，也诱发了很多新问题(与当前无人机大规模应用遭遇的问题相类似)，例如随着城市运转的提速，较慢的行人、稍快的马车与快速的汽车之间如何分配路权，汽车如何向公众阐述其安全性、以及如何通过技术措施保证新体系的有效运行成了摆在汽车行业发展前的大问题。

最早的交通灯原型诞生于英国，是有人值守的煤气灯，目的是为了防止马车扎人，这盏灯的历史只有23天，中断的原因是煤气灯突然爆炸使一位警察殉职，直到1914年，克里夫兰市才率先在街道中恢复交通信号灯，当然这回是电灯了。

因此我们知道现代的以汽车为核心的地面交通体系是通过4大系统保证安全的：

一是被动安全系统：如我们熟知的新车安全评定如CNCAP等，目的就是为了评价汽车在典型场景下保护车内乘客和避免车外行人不受致命伤害的能力，这已经是新车推向市场前必须完成的测试项目，而诸如安全带、安全气囊、保险杠等也是现代汽车的标配。

二是主动安全系统：汽车通过主动控制措施，通过各类传感器，在超车、倒车、换道、大雾、雨天等易发生危险的情况下，向驾驶员提供汽车周围必要的信息，并可自动采取措施，有效防止事故发生，还可以对驾驶员和车辆进行监测控制。例如ABS，EBD，TCS，LDWS、高位刹车灯，前后雾灯，后窗除雾等都是主动安全设计。

三是法律法规系统：我们都知道汽车要在交管所取得号牌并登记，行驶要遵守各种交通信号标识的指引，汽车驾驶员也要经过培训取得驾驶资格，违反交通法规后也会面临各类处罚。

四是运行支持系统：汽车使用说明书都会向使用者说明所购买产品的特性，可以行驶的道路、需要加什么样的燃料、行驶多场时间要保养、各类配件的使用寿命等，并往往建议前往授权的4S店接受正规服务，以确保车辆处在最佳使用状态。

无人机安全体系建设与研究的重点

回到轻小型无人机的话题，也可以从四大安全系统的角度对其安全性是否得到满足给出一定的判断，不应否认在确保其安全运行的四大领域，各方已开展了大量工作，并取得了一定的成效。

主动安全：随着飞行控制技术的不断完善，主要体现在以下几个方面：

电子围栏

由于主动避障具有一定的场景适用性，因此对于有些特殊场景来说，在现有的主动避障体系下就不再适用了，于是在某些重要的区域电子围栏便应运而生。

电子围栏，通俗意义上来说就是在机场等场景下安装一台干扰无人机信号的机器，开启在其有效半径范围内的无人机会无法接受指令，并且失去图像传送和链接功能，只能按照自带的GPS系统自动原路返回地面。这也是机场等其他重要场景下为了防止无人机“黑飞”而引发重大的飞行安全事故而采取的安保措施。为此，杭州萧山国际机场还专门编制了《杭州萧山国际机场净空保护区内无人机等升空物体防控工作方案》。

主动避障

主动避障，即通过智能技术来使得无人机自主躲避障碍物，从而达到避免发生碰撞安全事故的目的。在轻小型无人机的诸多技术中，避障能力是其中的关键技术之一，现在避障技术几乎是轻小型无人机的必备系统技术。主动避障集感知、自主决策与合理回归路线为一体，在一定程度上避免了对周围人员财产的损害。

航路规划

无人机航路规划技术是在已有的特定约束条件下，寻找从起始点到目标点并满足无人机性能指标的最优或可行的航路，具有较高的自主性，其中包括环境信息、飞行约束、航路目标以及航路规划器四个部分。在地面控制站的指挥下实现自主飞行，无人机甚至能够实时计算和优化航路规划，从而保障了无人机的安全飞行。

云端注册

云端注册主要是通过国家管理机构对无人机驾驶员进行集中管理，颁发有效的驾驶证书，从而通过管理层面来从终端对无人机飞手进行限制，同时能够在云端对无人机的飞行状态和数据进行实时统计。保障了大部分无人机的正常状态下的飞行安全。

法律法规：轻小型无人机的安全问题不仅引起了公众的关注，同时也引起了国家相关部门的高度重视，目前国务院及各部委围绕无人机产业发展和安全监管，出台了一系列的规章和政策，其中2018年5月，民航局发布了《民用无人驾驶航空器经营性飞行活动管理办法(暂行)》，其中规定了最大空机重量为250g以上的无人机的经营活动需要取得经营许可，2019年1月4日，我国民航司发布了《轻小型无人机运行规定》修订稿的征求意见通知，以大数据和“互联网+”为依托，对低、慢、小无人机运行实施放管结合的细化分类管理，进一步维护轻小型无人机的飞行秩序，确保其运行安全；适航司在1月23日印发了《基于运行风险的无人机适航审定指导意见》(民航适发[2019]3号)；2月1日飞标司、适航司、空管办又联合下发了咨询通告《特定类无人机试运行管理规程(暂行)》(编号：AC-92-2019-01)。从无人机法规政策的发布数量和频率来看，我国对于轻小型无人机的安全管理和飞行秩序极为重视，对于更多适用性和符合性的管理规章的建立具有较大需求。

运营支持：目前各大无人机厂商公司在消费者购买无人机之后会提供较为完备的用户指导手册，让消费者对于无人机的性能、无人机的使用环境和使用要求有较为全面的认知，同时也会提供相应的技术支持。除此之外厂家还给出了针对不同机型无人机的维修服务项目，对不同次数的无人机维修费用进行分级，使得用户的每一份钱都能够花在刀刃上，也能够一定程度上排查无人机的飞行安全隐患，保障无人机的安全飞行。

容易被忽视的关键环节：无人机被动安全

作为平台结构和运行基础的被动安全，相较于其他方面却有所忽视。但是没有人能够保证无人机永远可靠，永远不出问题，也无法保证不会出现不符合无人机飞行规定的无意或者恶意“黑飞”现象，而被动安全则是在无人机主动安全性设计措施失效和其他碰撞难以避免的场景下，尽可能能的减少无人机的公共安全威胁，是无人机安全设计的底线，同时也是无人机公共安全管理制度制定的出发点，因此对于无人机的被动安全的研究是无人机安全评估、设计和管控的关键环节之一。

无人机平台被动安全的实质是通过材料的选用、工艺的选择、强度刚度的匹配、系统重量的布置，在平台各类主动安全措施失效的情况下，最大限度的减少被碰撞对象的损伤。

无人机被动安全主要从无人机的结构出发，关注的是在无人机在碰撞不可避免的发生之后，应该如何最大程度的减少无人机碰撞伤害，即不伤害被撞击对象，又能够在一定程度上保证无人机下一步的正常使用和可维修性。

对于轻小型无人机结构被动安全，从其用途(个人用途、城市环境下的物流等)和使用特点出发(低空、慢速)，以下三类场景需要我们重点关注。

无人机跌落撞击地面人员/财产

当无人机因自身系统不可靠“炸机”或遭遇恶劣天气、复杂使用环境等因素，从其正常飞行高度跌落(一般在200m以下)，仅考虑其跌落势能(以2kg无人机从20m高跌落，其势能为392J)，如果跌落撞击行人头部(跌落主要考虑头部和肩部伤害)，在无人机结构平台没有考虑撞击过程的能量耗散问题的前提下，撞击动能的较大部分将被人体吸收，将有极大可能导致严重伤害。

图3 无人机在飞行状态失控状态下砸向地面的汽车，风挡在撞击后碎裂

图 日前已有相关载人客机险些撞上失控无人机案例

无人机飞行状态撞击地面人员/财产

图4 国外研究机构进行的无人机碰撞安全性评估实验

当无人机穿越飞行，特别是在城市人员密集环境穿越飞行时，有可能直接撞击人员和地面物体，轻小型无人机的飞行速度一般在20m/s左右，以2kg无人机为例，撞击动能为400J，如果撞击人体，主要影响区为头部、面部和上躯干，也将有极大概率导致严重伤害(欧盟规定动能超过80J的无人机禁止穿越人体飞行)。

无人机飞行撞击其他飞行器

尤其严重的是与有人航空器的撞击问题，日前大疆公司就美国相关研究提出了严正抗议，出发点就是认为研究者夸大了威胁程度，对其商誉造成了不利影响。国内相关研究者力图通过与鸟撞的相关性对比建立某种安全联系，但不因忽视的是，相对与飞鸟，无人机具有3种典型特征：(1)飞行路径的可控性(飞鸟的飞行具有一定的随机性，无法主动避让飞机)；(2)态势感知能力(来源于系统分发的航路信息，飞鸟可不具备)；(3)结构特征的可设计性(飞鸟的构成是天生的，羽毛、骨骼、血肉的组合不可能轻易改变)。这是研究无人机与航空器碰撞风险必须要考虑的因素。

无人机被动安全评估方法研究的进展

目前被动安全领域内技术研究在一定程度上滞后于轻小型无人机行业的发展步伐，也正是由于缺少相关的数据支撑，使得无人机标准、管理法规等的制定工作遇到不少困难，具体表现为轻小型无人机碰撞风险因素尚未充分识别、碰撞损伤判据和损伤等级的划分有待明确、碰撞安全验证与评估的能力不够完善等。

国外方面，由于无人机被动安全评估是一项集成性的系统工程，因此2016年美国FAA、弗吉尼亚大学、新加坡南洋理工大学相继开展了无人机碰撞安全性研究项目，进行了关于无人机应用场景分析和风险评估准则的研究，得出了不同应用场合下无人机最有可能造成的伤害类型，并且基于技术层面的研究数据有根据性的对每种伤害给出了相应无人机的类别、速度和高度。日前，欧盟EASA同样启动了无人机被动碰撞安全性研究，并提交发布了项目可行性报告。

国内方面，目前无人机相关标准和规章大部分都是以国外相关的研究工作为部分指标来制定，而中国作为无人机制造和消费大国，根据自身的研究成果，进而制定更加符合中国无人机市场国情的规章显得尤为迫切和重要。

图5 强度所开展无人机与人员碰撞安全测试

图 无人机通过装降落伞装置来防止“炸机”跌落

基于这种研究现状和需求，国内有研究机构开始逐步开展轻小型无人机被动碰撞安全的研究工作，其中以中国飞机强度研究所牵头的团队走在了国内研究前列，强度所于2017年末联合深圳市大疆创新科技有限公司、西安京东无人机研发部、西北工业大学等在无人机研发、产业、产品以及学术研究具有较大话语权的单位组建了一支研究团队。该团队通过聚焦地面人员、高价值目标物等碰撞对象，通过专业的航空强度验证、评估技术，采用大量的实验做先行验证，结合数值仿真分析方法来揭示碰撞条件对碰撞对象损伤的影响关系，从而建立碰撞对象的损伤等级划分准则，理清轻小型无人机安全使用的边界，给出安全性评价的方法、平台和判据，为轻小型无人机的安全使用和监管提供数据支撑。强度所已经进行了两期实验测试与验证工作，目前正在稳步开展第三期研究工作，最终将基于研究工作形成轻小型无人机碰撞安全性设计、分析、验证和评估相关的标准，为无人机安全性相关的法律法规制定提供可靠数据。

除了轻小型无人机地面碰撞研究，民航上海航空器适航审定中心聚焦空中运输机、客机等飞行器牵头开展了民用轻小型无人机与空中飞行器的碰撞试验研究。该团队于2017年底在航空工业航宇襄北试验基地进行了轻小型无人机与典型民机结构的碰撞实验，比对了无人机碰撞和鸟撞的差异性。

考虑被动安全要求的创新设计方法

无人机的被动安全设计指的是通过无人机结构平台的吸能设计(在直接碰撞中减少传递到被碰撞对象的能量)和减伤设计(在接触性碰撞中减少对人员的划伤和擦伤)。

就无人机自身的特性来讲，无人机碰撞时可能发生的伤害主要分为两种：无人机机体撞击后发生的钝性伤害和无人机叶片在撞击人体时旋转产生的锐性伤害。就锐性伤害而言，目前相关无人机厂商在考虑到叶片割伤的情况下会配备有桨叶罩来一定程度的预防无人机在特殊状况下可能发生的割伤事故，但是这种桨叶罩目前只针对重量较小的无人机，而对稍大点的无人机叶片目前仍未有有效的防护措施。

就无人机的钝性伤害而言，无人机被动安全性设计防钝性创伤目前主流上主要有以下三种方法：

降落伞防护装置

降落伞的优点在于其广泛的适用性，其即可用于多旋翼无人机，同时又可适用于固定翼无人机。降落伞主要由控制系统控制，当无人机出现故障后会触发降落打开装置，从而减少无人机不受控制而下落时的总动能，从而减少无人机受故障跌落后的撞击严重程度。但是该方法也有缺点，即若是控制系统损坏则会导致整个装置失效，同时降落伞打开时可能会出现机构故障。

无人机整机防护罩

无人机整机防护罩顾名思义，就是在无人机周围采用网状防护结构，这样基本杜绝了撞击意外发生的可能性，这种方法能够将无人机连同桨叶一起防护在网状结构内，这样螺旋桨能够有运行空间，同时也不会外露，达到安全防护的作用。但是这种方法的会使得机身更重，一定程度降低了无人机的整体机动性和性能。

柔性防撞结构

自然界中飞鸟直接摔残的情况并不多见，举例来说，鸟类和昆虫都会偶尔在空中冲撞某些物体，这是因为他们自身具有足够的柔韧度，从而能够起到缓冲保护作用。

图6 瑞士洛桑高等工业大学设计的“不怕摔”的柔性无人机

因此日前瑞士相关学者通过改善无人机四轴的弹性，使得整个无人机具有较高的柔性特性，在无人机发生碰撞时整个机翼都可以被逆压缩，能够在软硬两种状态下切换，在不影响飞行的情况下同时具备机械弹性。这种无人机飞行巧妙，在飞行时具有足够的刚度，稳定性和操作性能够得到保障，而碰撞时又具有足够的安全性。但是这种无人机由于考虑到安全性因素而在很大程度上放弃了无人机的承载特性和续航特性。

无人机被动安全设计就目前看来，虽然已经有几种可以提高其安全性的方法，但是这些方法大多都是在牺牲无人机部分重要性能的基础上换来的，应用具有较大的局限性，同时合理性也需要进一步评估，因此关于无人机被动安全设计仍然具有较大的挑战。

结论和展望

行业发展迅速但安全短板突出

轻小型无人机作为一种在全球范围内发展突飞猛进的行业，据美国联邦航空局预测2020年美国的民用无人机销量将高达300万台。而我国国内不仅拥有以大疆为代表的轻小型无人机世界级龙头研发制造单位，同时也有一批无人机系统服务单位，更有京东、顺丰等行业单位不仅从事无人机物流应用，也从事无人机整机开发工作，2014-2017年我国无人机产值复合增长率高达80%以上，据不完全统计，我国民用轻小型无人机保有量超过100万台，行业发展和行业优势在国际上处于领先地位。

但我国在民用轻小型无人机行业仍然存在值得引起重视的短板，目前我国国内共出台了50余部无人驾驶航空器相关的法律法规，从中可以看出，每新出台一部法律法规，政府机关都会对无人机安全性提出新的更高的要求。特别是工信部颁布的《无人机驾驶航空器系统标准体系建设指南(2017-2018年版)》[13]中有提出，无人机应用广泛，但是标准体系却并不完善，导致了产品质量缺乏保证，技术要求难以统一，行业发展受限，影响了国家安全和公共安全。指南中随附的标准表中共列举了267项，其中关于无人机强度，无人机碰撞的相关指南共24项，都处于急需制定或者待制定的状态，例如《无人驾驶航空器系统地面试验要求》、《民用无人驾驶航空器用锂电池及电池组危险特性检验要求》、《无人机驾驶航空器系统强度和刚度规范》。而目前的基础技术研究对于无人机的验证、评估、设计以及标准的制定是远远不够的。

国外已有进展，国内初步开展

就目前的国内外针对轻小型无人机碰撞安全研究的现状而言，国内针对该方面的研究与国外之间仍然具有一定差距，国外对于无人机碰撞安全性、重要性和复杂性有较早的认识，其管理当局和和工业部门能够更好的理解无人机在不同应用场景下的应用风险、无人机对不同碰撞对象的损伤情况。从2015年以来以FAA为代表的一批研究机构逐步开展了一系列无人机碰撞安全性研究。结合无人机事故调查和实验室获得的相关数据，建立了较为完善的无人机碰撞安全性分析与验证技术体系。

而我国虽然在民用轻小型无人机产业发展方面具有较大的优势，但是在无人机碰撞安全研究方面却起步相对较晚，虽然近年来随着无人机产业规模的拓展，国内的无人机市场越来越大，国内政府主管部门、民航管理部门、主机单位、科研院所和高效逐渐认识了无人机安全性的重要性，开始进行相关研究，但研究进度仍然相对于滞后于国外研究机构，尚处于初步研究阶段。

汇聚共识，搭建平台，推进标准完善，建立测试评估平台

虽然国外研究在一定程度上领先于国内，但从其发布的研究报告结果上来看，作为近几年刚兴起的研究项目，国外对于轻小型无人机碰撞安全研究并不是特别充分，各个研究机构之间的成果并未较好的融合，国际上无人机碰撞安全相关的实验、分析验证的国际标准也处于待定状态，因此我国仍然有追赶的潜力和空间，我国目前在该技术领域有一定的技术突破，通过进一步挖掘研究深度，加强研究基础，继续加大力度开展一系列体系化研究项目，我国有望在未来3～4年内在无人机碰撞安全领域达到国际领先水平，通过抢占国际标准的制高点，突破国外可能对我国民用轻小型无人机的市场封锁。

因此在这种行业发展背景之下，我国相关部门、相关产业方、相关研究机构应当汇聚共识，聚焦民用轻小型无人机公共安全领域内的碰撞安全问题，充分考虑企业发展和行业监管需求，开展相关研究工作，通过搭建实验平台，构建轻小型无人机碰撞安全验证与评估体系。从而以相关机构的研究工作数据结果作为输入，大力完善和补充我国现有的轻小型无人机标准法规体系，全面强化我国无人机在国际上的领军地位，维护空域、地面交通运行秩序，提升社会公众的认可度和接受能力，带动我国无人机产业进一步发展。 ■