麻省理工學(xué)院的航空航天工程師設(shè)計(jì)了一個(gè)方法，可以幫助無(wú)人機(jī)找到避開障礙物的最快路線，從而避免墜毀。利用這個(gè)方法訓(xùn)練過的無(wú)人機(jī)穿越復(fù)雜場(chǎng)地的速度能比傳統(tǒng)方法訓(xùn)練的無(wú)人機(jī)快 20%。
當(dāng)無(wú)人機(jī)快速飛行的時(shí)候，空氣動(dòng)力學(xué)變得復(fù)雜且無(wú)法預(yù)測(cè)，無(wú)人機(jī)本身也變得不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致它可能無(wú)法很好的躲避障礙物。研究人員通過將計(jì)算機(jī)模擬與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)出了新方法，可以更好的解決這一問題。
這項(xiàng)研究結(jié)果于 7 月 29 日發(fā)表在《國(guó)際機(jī)器人研究雜志(The International Journal of Robotics Research)》上，論文題目為《用時(shí)最優(yōu)的四旋翼飛行器機(jī)動(dòng)性的多保真黑箱優(yōu)化(Multi-fidelity black-box optimization for time-optimal quadrotor maneuvers)》。
一、空氣動(dòng)力學(xué)難模擬，無(wú)人機(jī)高速飛行避障成難題
在無(wú)人機(jī)比賽中，參賽隊(duì)會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)，看看哪款無(wú)人機(jī)經(jīng)過了更好的訓(xùn)練，可以快速的通過障礙賽道。但是無(wú)人機(jī)飛的越快，越容易變得不穩(wěn)定，時(shí)常會(huì)撞到障礙物發(fā)生墜機(jī)。因此，如何讓無(wú)人機(jī)在高速飛行的過程中有效地躲避障礙，成了研究者們想要解決的一大難題。
麻省理工學(xué)院的航空航天工程師通過將計(jì)算機(jī)模擬與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相結(jié)合設(shè)計(jì)出了一種新方法，能夠幫助無(wú)人機(jī)找到繞過障礙物的最快路線。
如果打算讓無(wú)人機(jī)緩慢飛行，那么訓(xùn)練無(wú)人機(jī)繞過障礙物是相對(duì)簡(jiǎn)單的?？諝庾枇Φ瓤諝鈩?dòng)力學(xué)通常不會(huì)在無(wú)人機(jī)的低速狀態(tài)下發(fā)揮明顯作用，因此可以排除在無(wú)人機(jī)行為的建模之外。
但是在無(wú)人機(jī)高速飛行時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)的影響要明顯的多，而且這時(shí)無(wú)人機(jī)更難預(yù)測(cè)并應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的情況。
“在高速下，存在難以模擬的復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)，因此我們使用現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)驗(yàn)填補(bǔ)這些難以模擬的黑洞。”麻省理工學(xué)院航空航天系研究生 Ezra Tal 說。
二、研究者模擬數(shù)千個(gè)場(chǎng)景，讓無(wú)人機(jī)以 11m/s 高速穿越障礙
研究團(tuán)隊(duì)的另一名研究生 Gilhyun Ryou 說：“當(dāng)無(wú)人機(jī)飛的很快的時(shí)候，很難估計(jì)自己在哪里，并且這時(shí)無(wú)人機(jī)向控制其飛行的電機(jī)發(fā)送信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)延遲，或者可能會(huì)突然出現(xiàn)電壓下降等動(dòng)態(tài)問題，這導(dǎo)致無(wú)法用傳統(tǒng)的方法對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行進(jìn)行建模。”
在過去，為了了解空氣動(dòng)力學(xué)如何影響高速飛行中的無(wú)人機(jī)，研究人員必須在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行許多次實(shí)驗(yàn)，將無(wú)人機(jī)設(shè)置成不同的速度與飛行軌跡，以查看哪種飛行模式既快速又安全，這是一個(gè)昂貴且復(fù)雜并且經(jīng)常發(fā)生無(wú)人機(jī)墜毀的過程。
針對(duì)這一問題，麻省理工學(xué)院的研究人員提出了一個(gè)多保真(multi-fidelity)Bayesian 優(yōu)化框架，基于解析模擬和真實(shí)世界的飛行實(shí)驗(yàn)對(duì)飛行的可行性進(jìn)行建模，評(píng)估每種飛行可能，優(yōu)化飛行軌跡和飛行時(shí)間，并大大降低所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)次數(shù)。
研究人員首先將無(wú)人機(jī)在穿越障礙賽道時(shí)可能出現(xiàn)的行為模擬了數(shù)千個(gè)場(chǎng)景，每個(gè)場(chǎng)景都有不同的飛行路徑。然后他們根據(jù)每種情況是否可行繪制了圖表，根據(jù)這些圖表可以快速找到最有希望成功的飛行場(chǎng)景或軌跡，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行嘗試。
“我們可以廉價(jià)而快速地進(jìn)行這種低保真模擬，來查看既可行又快速的飛行路徑。然后我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中按照這些軌跡飛行，看看哪些在現(xiàn)實(shí)世界中是實(shí)際可行的。”Ezra Tal 說。
研究人員將幾個(gè)大型方形障礙物交錯(cuò)排列，以模擬無(wú)人機(jī)的飛行場(chǎng)景。然后他們按照模擬結(jié)果中對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行編程，讓無(wú)人機(jī)以 11m/s 的速度高速飛過整個(gè)場(chǎng)地。
實(shí)驗(yàn)中研究人員還使用經(jīng)過傳統(tǒng)方法訓(xùn)練的無(wú)人機(jī)當(dāng)作對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用新方法訓(xùn)練的無(wú)人機(jī)在更短的時(shí)間內(nèi)完成了整個(gè)飛行過程。
在一些情況下，新方法訓(xùn)練的無(wú)人機(jī)能夠比傳統(tǒng)方法訓(xùn)練的無(wú)人機(jī)快 20% 完成整個(gè)飛行。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法完全基于計(jì)算機(jī)對(duì)飛行軌跡的的模擬對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，無(wú)法應(yīng)對(duì)高速飛行狀態(tài)下的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。
研究人員還發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，用新方法訓(xùn)練出來的無(wú)人機(jī)并非全程領(lǐng)先對(duì)手。在某些情況下，無(wú)人機(jī)會(huì)選擇減速來應(yīng)對(duì)棘手的彎道，或者會(huì)選擇更加節(jié)能的飛行方式，以此來尋找機(jī)會(huì)加速實(shí)現(xiàn)更快地到達(dá)終點(diǎn)。
三、結(jié)合人類飛行員駕駛數(shù)據(jù)，研究者欲挑戰(zhàn)更復(fù)雜場(chǎng)景
研究人員計(jì)劃以更快的速度在更復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步改進(jìn)他們的方法。他們還將在實(shí)驗(yàn)中結(jié)合遠(yuǎn)程駕駛無(wú)人機(jī)的人類飛行員的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗麄兊臎Q策可能有助于研究團(tuán)隊(duì)找到更快可行性更高的飛行方式。
“我們可以以人類飛行員的飛行方式為起點(diǎn)，從中改進(jìn)我們的方法，看看有哪些人類做不到的事情可以讓我們的無(wú)人機(jī)做到。”Ezra Tal 說。
如果無(wú)人機(jī)變得更快更靈活，將有機(jī)會(huì)更多地用在一些需要時(shí)間的緊迫事務(wù)上，比如在自然災(zāi)害中尋找幸存者。
麻省理工學(xué)院航空航天學(xué)副教授兼信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任 Sertac Karaman 說：“這些新算法是非常有價(jià)值的一步，在未來或許能夠讓無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)快速地在復(fù)雜環(huán)境中飛行。”
結(jié)語(yǔ)：更會(huì)避障的無(wú)人機(jī)或能用于災(zāi)害救援
無(wú)人機(jī)高速飛行中實(shí)現(xiàn)有效避障是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)，往往會(huì)因?yàn)闊o(wú)法有效避開障礙物而發(fā)生墜機(jī)。
麻省理工學(xué)院的這個(gè)新方法能夠在保證無(wú)人機(jī)飛行速度的同時(shí)讓無(wú)人機(jī)更好的躲避障礙，找到最優(yōu)的飛行路線，這能夠在一定程度上有效減少無(wú)人機(jī)墜機(jī)事件的發(fā)生。
另外，飛行速度更快且更靈活的無(wú)人機(jī)能夠應(yīng)對(duì)更多更復(fù)雜的場(chǎng)景。隨著這項(xiàng)訓(xùn)練方法的改進(jìn)，或許能夠讓無(wú)人機(jī)在未來更好的應(yīng)用于災(zāi)害救援之中，拯救更多人的生命。
關(guān)鍵詞： 麻省理工 無(wú)人機(jī) 障礙物 高效避障
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