系统可防止快速无人机在陌生区域坠毁

2023-03-17 来源：吉林农业机械网

系统可防止快速无人机在陌生区域坠毁

导航未知飞机时，自主无人机要谨慎。它们向前爬行，经常在不熟悉的区域进行绘制，然后再继续前进，以免它们撞到未被检测到的物体中。但是这种减速对于执行时间敏感任务的无人机（例如在茂密的森林中进行搜索和救援任务的无人机）而言并不理想中国机械网okmao.com。

现在，麻省理工学院的研究人员已经开发了一种轨迹规划模型，该模型可以帮助无人机以高速度飞过以前未开发的区域，同时保持安全。

该模型被恰当地命名为“更快” ，在无视安全性的情况下，估计了从起点到目的地在无人机可以看到和看不到的所有区域的最快路径。

但是，随着无人机的飞行，该模型会连续记录无碰撞的“后备”路径，这些路径与该快速飞行路径略有偏离。当无人机不确定某个特定区域时，它会绕过备用路径并重新路由。因此，无人机可以沿着最快的轨迹高速航行，同时偶尔会稍微减速以确保安全。

“我们一直想执行最快的路径，但我们并不总是知道它是安全的。如果在沿着这条最快的路径前进时，发现有问题，我们需要制定备份计划，”耶稣·托德西拉斯说。航空航天学系（AeroAstro）的研究生，并在描述该模型的论文的第一作者中提出，该论文将在下个月的国际智能机器人和系统会议上发表。

“我们获得的高速轨迹可能不安全，而慢速轨迹则完全安全。两条路径首先被缝合在一起，但是一条路径出于性能考虑，另一条路径出于安全考虑。”

在森林模拟中，虚拟无人机绕着代表树木的圆柱体航行，FASTER动力的无人机安全完成的飞行路径比传统模型快两倍。在现实生活中的测试中，由FASTER驱动的无人驾驶飞机在大房间中的纸板箱周围进行操作，其速度达到了每秒7.8米。研究人员说，基于重量和反应时间，这推动了无人机飞行速度的极限。

合著者乔纳森·霍（Jonathan How）说：“这差不多快了。”乔纳森·霍（Richard Cockburn Maclaurin）航空航天学教授。“如果您站在一架无人机上，该无人机每秒以七到八米的速度飞行，那么您可能会退后一步。”

该论文的另一位合著者是布雷特·洛佩兹（Brett T. Lopez），他是前博士学位。是AeroAstro的学生，现在是NASA喷气推进实验室的博士后。

分割路径

无人机使用相机将环境捕获为体素，即根据深度信息生成的3D立方体。无人机飞行时，每个检测到的体素都会被标记为“无已知空间”（不被物体占用）和“已占用已知空间”（其中包含物体）。其余的环境是“未知空间”。

FASTER利用所有这些区域来计划三种类型的轨迹：“整体”，“安全”和“承诺”。整个轨迹是从起点A到目标位置B，经过已知和未知区域的整个路径。

为此，“凸分解”是一种将复杂模型分解为离散成分的技术，可以生成重叠的多面体，以对环境中的这三个区域进行建模。使用一些几何技术和数学约束，模型使用这些多面体来计算最佳整体轨迹。

同时，该模型计划了安全轨迹。它沿着整个轨迹的某个位置绘制了一个“救援”点，该点表示无人机根据其速度和其他因素绕道而行的最后时刻。

为了找到安全的目的地，它会计算覆盖自由已知空间的新多面体。然后，在这些新的多面体内部找到一个位置。基本上，无人驾驶飞机会停在安全的地方，但要尽量靠近未知空间，这样可以快速高效地绕行。

承诺轨迹

提交的轨迹包括整个轨迹的第一个间隔以及整个安全轨迹。但是该第一间隔与安全轨迹无关，因此不受安全轨迹所需的制动的影响。

无人机一次计算一条完整的轨迹，同时始终跟踪安全轨迹。但是它有一个时间限制：到达救援点时，它必须已经成功计算出了已知或未知空间中的下一条完整轨迹。

如果是这样，它将继续沿着整个轨迹运动。否则，它将转移到安全轨迹。这种方法使无人机能够沿着既定的轨迹保持高速，这是实现高整体速度的关键。

对于所有工作，研究人员设计了无人驾驶飞机非常快速地处理所有计划数据的方法，这具有挑战性。

例如，由于地图变化如此之多，因此赋予每个已承诺轨迹的时间限制最初会发生巨大变化。

这在计算上是昂贵的，并且减慢了无人机的计划，因此研究人员开发了一种方法来快速计算沿轨迹的所有间隔的固定时间，从而简化了计算。研究人员还设计了减少无人机绘制周围环境所需的多面体数量的方法。这两种方法都大大增加了计划时间。

Waymo的软件工程师Sikang Liu说：“如何提高飞行速度和保持安全性是无人机运动计划中最困难的问题之一。”

刘志康说，这是无人机的运动计划。“这项工作通过增强现有的轨迹生成框架为解决该问题提供了很好的解决方案。在轨迹优化管道中，时间分配始终是一个棘手的问题，可能会导致收敛问题和不良行为。本文通过一种新颖的方法解决了这一问题。方法……这可能是该领域的有见地贡献。”

研究人员目前正在制造带有螺旋桨的大型FASTER无人机，螺旋桨旨在实现稳定的水平飞行。传统上，无人机在飞行时需要滚动和俯仰。但是，这种定制无人机将在各种应用中保持完全平坦。

在美国国防部的支持下开发的FASTER的潜在应用可能是改善森林环境中的搜救任务，这对自动无人机提出了许多计划和导航挑战。

“但是未知的区域不必一定是森林，” How说。“这可能是您不知道将来会发生什么事情的领域，而获取知识的速度有多重要。主要动机是建造更多的敏捷无人机。”