麻省研發(fā)出一種軌跡規(guī)劃模型 讓無人機能安全穿越無人區(qū)

麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種軌跡規(guī)劃模型，該模型可以幫助無人機更安全地高速穿越先前未開發(fā)的區(qū)域，從而有助于在茂密的森林中進(jìn)行搜索和救援任務(wù)。

無人駕駛飛機在未知領(lǐng)域航行時非常謹(jǐn)慎。它們向前爬行，在前進(jìn)之前經(jīng)常繪制不熟悉的區(qū)域，以免撞到未被發(fā)現(xiàn)的物體。但這種減速對于執(zhí)行時間敏感任務(wù)的無人機來說并不理想，比如在茂密的森林中執(zhí)行搜索和救援任務(wù)?，F(xiàn)在麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種軌跡規(guī)劃模型，可以幫助無人機在安全的前提下高速飛行，穿越以前未探測的區(qū)域。

這個模型被恰當(dāng)?shù)孛麨椤癋ASTER”——它估計了從一個起點到目的地的最快路徑，跨越無人駕駛飛機可以看到和看不到的所有區(qū)域，而不考慮安全性。但是，當(dāng)無人機飛行時，該模型不斷記錄與快速飛行路徑略有偏離的無碰撞“備份”路徑。當(dāng)無人機不確定某個特定區(qū)域時，它會沿著備用路徑繞行，并重新確定路徑。因此，無人機可以沿著最快的軌跡高速巡航，同時偶爾稍微減速以確保安全。

“我們總是想走最快的路，但我們并不總是知道這條路是安全的。如果，當(dāng)我們沿著這條最快的道路前進(jìn)時，我們發(fā)現(xiàn)有問題，我們需要有一個備用計劃，”航空航天系（Aeroastro）的研究生、描述下個月智能機器人和系統(tǒng)國際會議上提出的模型的論文第一作者Jesus Tordesillas說?！拔覀兊玫搅艘粋€可能不安全的高速軌道和一個完全安全的低速軌道。這兩條路一開始是縫合在一起的，但后來一條因性能而偏離，另一條則因安全而偏離?！?/p>

在森林模擬中，虛擬無人機在代表樹木的圓柱體周圍導(dǎo)航，動力更快的無人機安全地完成飛行路徑，大約比傳統(tǒng)模型快兩倍。在現(xiàn)實生活中的測試中，在一個大房間里繞著紙板箱飛行的速度更快的無人機達(dá)到了每秒7.8米的速度。研究人員說，這將根據(jù)重量和反應(yīng)時間限制無人機的飛行速度。

合著者、航空航天學(xué)教授理查德科伯恩麥克勞林（Richard Cockburn Maclaurin）說：“這是你能走的最快的速度?！比绻阏驹谝粋€房間里，一架無人機以每秒7至8米的速度飛行，你可能會后退一步。”該論文的另一位合著者是brett t.lopez，他以前是Aerostro的博士生，現(xiàn)在是nasa噴氣推進(jìn)實驗室的博士后。

分割路徑

無人機使用攝像機捕捉環(huán)境，如體素，由深度信息生成的三維立方體。當(dāng)無人機飛行時，每一個檢測到的體素被標(biāo)記為“自由已知空間”，沒有被物體占據(jù)，以及“占用已知空間”，其中包含物體。環(huán)境的其余部分是“未知空間”。

Faster利用所有這些區(qū)域來規(guī)劃三種類型的軌跡——“whole，” “safe，” and “committed.”。整個軌跡是從起點a到目標(biāo)位置b，通過已知和未知區(qū)域的整個路徑。為此，“凸分解”是一種將復(fù)雜模型分解為離散組件的技術(shù)，它生成重疊多面體，對環(huán)境中的這三個區(qū)域進(jìn)行建模。利用一些幾何技術(shù)和數(shù)學(xué)約束，該模型利用這些多面體計算出一個最優(yōu)的整體軌跡。

同時，模型規(guī)劃了一個安全的軌跡。在整個飛行軌跡的某個地方，它繪制了一個“營救”點，根據(jù)它的速度和其他因素，指示無人機最后一刻可以繞道進(jìn)入無障礙的已知自由空間。為了找到一個安全的目的地，它計算覆蓋自由已知空間的新多面體。然后，它在這些新多面體中定位一個點?；旧希瑹o人機停在一個安全但盡可能靠近未知空間的地方，實現(xiàn)非?？焖俸透咝У睦@行。

承諾軌跡

承諾軌跡由整個軌跡的第一個區(qū)間以及整個安全軌跡組成。但第一個間隔與安全軌跡無關(guān)，因此不受安全軌跡所需制動的影響。

無人機一次計算一個完整的軌跡，同時始終跟蹤安全軌跡。但它有一個時間限制：當(dāng)它到達(dá)救援點時，它必須已經(jīng)成功地計算出下一個通過已知或未知空間的完整軌跡。如果是這樣，它將繼續(xù)沿著整個軌道運行。否則，它會轉(zhuǎn)向安全軌道。這種方法使無人機能夠沿著預(yù)定的軌跡保持高速，這是實現(xiàn)高總體速度的關(guān)鍵。

為了完成這項工作，研究人員設(shè)計了無人機快速處理所有規(guī)劃數(shù)據(jù)的方法，這是一項挑戰(zhàn)。因為地圖是如此的多變，例如，給每一個承諾的軌跡的時間限制最初都有很大的變化。這在計算上是昂貴的，并且減緩了無人機的計劃，因此研究人員開發(fā)了一種方法，可以快速計算沿軌跡的所有間隔的固定時間，從而簡化了計算。研究人員還設(shè)計了一些方法來減少無人機繪制周圍環(huán)境所需處理的多面體數(shù)量。這兩種方法都大大增加了計劃時間。

“如何提高飛行速度和維護(hù)安全是無人機運動規(guī)劃中最困難的問題之一，”Waymo的軟件工程師、原谷歌自動駕駛汽車項目、軌跡規(guī)劃算法專家Sikang Liu說。這項工作顯示了一個很好的解決這個問題的方法，通過改進(jìn)現(xiàn)有的軌跡生成框架。在軌跡優(yōu)化過程中，時間分配一直是一個棘手的問題，它會導(dǎo)致收斂問題和不期望的行為。本文通過一種新穎的方法來解決這一問題……這可能是對這一領(lǐng)域的一個有見地的貢獻(xiàn)?！?/p>

研究人員目前正在制造更大的、速度更快的無人機，這種無人機的螺旋槳設(shè)計可以實現(xiàn)穩(wěn)定的水平飛行。傳統(tǒng)上，無人機在飛行時需要滾動和俯仰。但這種定制的無人機在各種應(yīng)用中都會保持完全平坦。

在美國國防部的支持下開發(fā)的一個潛在的快速應(yīng)用程序可能是改進(jìn)森林環(huán)境中的搜索和救援任務(wù)，這給自主無人機帶來了許多規(guī)劃和導(dǎo)航方面的挑戰(zhàn)?！钡俏粗膮^(qū)域不一定是森林。它可能是你不知道會發(fā)生什么的任何領(lǐng)域，而你獲得這些知識的速度有多快也很重要。主要動機是制造更靈活的無人機。”