文/溫杰

初見成效
——DARPA探索無人機(jī)在室內(nèi)環(huán)境的自主飛行能力

文/溫杰

“快速輕型自主”計劃通過開發(fā)和測試一些新算法，使小型無人機(jī)借助自身攜帶的各種傳感器，可以在雜亂的建筑物內(nèi)和障礙遍布的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航飛行，完成一些低級別的任務(wù)。

2017年6月，美國國防部先進(jìn)項(xiàng)目研究局（DARPA）的“快速輕型自主”（FLA）計劃結(jié)束了第一階段飛行測試，三個研究團(tuán)隊(duì)在佛羅里達(dá)州中部進(jìn)行了難度逐漸遞增的一系列障礙物飛行測試，并對四旋翼無人機(jī)裝載的傳感器進(jìn)行了調(diào)試。FLA計劃的目標(biāo)是在充分利用現(xiàn)有的四旋翼無人機(jī)和廉價的慣性測量單元的前提下，著重于開發(fā)一些新穎的算法，可在類似于智能手機(jī)的低功耗小型單板機(jī)上實(shí)時高速運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航和規(guī)避障礙。測試結(jié)果表明，這些新算法可以用于增強(qiáng)當(dāng)前依靠GPS的無人機(jī)，進(jìn)一步擴(kuò)大它們的應(yīng)用范圍。

開發(fā)全新算法

DARPA希望通過FLA計劃開發(fā)一些先進(jìn)的算法，使空中的無人機(jī)和地面的無人車在沒有通信運(yùn)營商、GPS或任何數(shù)據(jù)鏈提供引導(dǎo)的情況下具備自主工作的能力。DARPA通過FLA計劃正在發(fā)展一些關(guān)鍵技術(shù)，使小型四旋翼無人機(jī)利用機(jī)載攝像頭和傳感器作為“眼睛”，通過智能算法實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，能夠以高達(dá)20米/秒的飛行速度，完全自主飛過雜亂的建筑物和障礙遍布的環(huán)境。

FLA計劃旨在實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在建筑物內(nèi)部自主飛行

DARPA負(fù)責(zé)FLA計劃的官員表示，大多數(shù)人沒有意識到現(xiàn)在的無人機(jī)非常依賴遙控駕駛和GPS導(dǎo)航。低成本的小型無人機(jī)在很大程度上依賴于通信運(yùn)營商和GPS，不僅用于準(zhǔn)確獲取無人機(jī)位置，而且還用于修正無人機(jī)估算高度和速度的誤差。如果沒有這些數(shù)據(jù)，無人機(jī)將不能判斷自身的姿態(tài)，無法長時間保持水平直線飛行，也不能及時做出類似急轉(zhuǎn)彎這樣的機(jī)動動作。根據(jù)FLA計劃的要求，無人機(jī)必須以足夠的準(zhǔn)確性自主計算出所有這些參數(shù)，從而避開障礙并完成任務(wù)。

因此，F(xiàn)LA計劃正在發(fā)展的技術(shù)具有很多潛在的應(yīng)用。例如，在作戰(zhàn)人員進(jìn)入前安全快速地掃描建筑物內(nèi)部；在森林茂密的地區(qū)或俯瞰圖像無法看穿樹冠的敵對區(qū)域叢林中尋找被擊落的飛行員；在地震或其他災(zāi)害后進(jìn)入安全性未知的受損建筑中及時確定幸存者的位置。

FLA計劃專注開發(fā)的這類新算法，能夠使無人機(jī)在室內(nèi)、地下或受到故意干擾等GPS關(guān)閉/無法使用的環(huán)境中無需遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行工作。根據(jù)FLA計劃，唯一需要人工輸入的信息是無人機(jī)搜索時的粗略目標(biāo)數(shù)據(jù)，通常是在飛行前上傳到機(jī)載計算機(jī)上的數(shù)字圖像和初步估計的目標(biāo)方向與距離。如果可用的話，相關(guān)地區(qū)的基本地圖或衛(wèi)星圖像也可以上傳。

經(jīng)過改裝的四旋翼無人機(jī)具有更好的防撞性能

無人機(jī)穿過雜亂的環(huán)境，尋找到目標(biāo)點(diǎn)

操作者發(fā)出起飛指令后，無人機(jī)必須自主導(dǎo)航飛抵目標(biāo)區(qū)域，在沒有其他任何關(guān)于地形或環(huán)境信息的情況下，圍繞飛行路徑上的未知障礙物進(jìn)行自主機(jī)動，并根據(jù)需要尋找替代路徑。

展開飛行測試

在DARPA資助下，德雷珀實(shí)驗(yàn)室與馬薩諸塞理工學(xué)院、航空環(huán)境與科學(xué)系統(tǒng)公司、賓夕法尼亞大學(xué)等3個研究團(tuán)隊(duì)參與了FLA計劃，使用大疆公司的“風(fēng)火輪”450（Flamewheel F450）四旋翼無人機(jī)。但是，每個團(tuán)隊(duì)都為所提供的無人機(jī)帶來了獨(dú)特的技術(shù)和解決方案。

2016年2月，F(xiàn)LA計劃在第102情報聯(lián)隊(duì)駐扎的奧蒂斯國民警衛(wèi)隊(duì)基地的機(jī)庫內(nèi)進(jìn)行了首次測試。研究人員在機(jī)庫內(nèi)設(shè)置了模擬的墻壁、箱子和其他障礙物，用以測試飛行的靈敏度和速度。這次試驗(yàn)主要驗(yàn)證了在裝載高分辨率機(jī)載攝像頭與雷達(dá)、聲納和慣性測量單元等其他傳感器的情況下，四旋翼無人機(jī)的飛行速度能夠達(dá)到所要求的20米/秒，并初步實(shí)現(xiàn)自主飛行。

今年6月，3個團(tuán)隊(duì)在佛羅里達(dá)州進(jìn)行的第一階段飛行測試中，結(jié)合之前3次飛行試驗(yàn)的一些要素，同時測試了各自的算法在實(shí)際條件下的各項(xiàng)性能和穩(wěn)定性。例如，從明亮的陽光照射環(huán)境到陰暗的室內(nèi)環(huán)境時的快速調(diào)整，感知與規(guī)避懸垂了大量西班牙青苔的樹木，通過一個簡單的迷宮，或者在缺乏特征的地區(qū)穿越較長的距離。

在最后一天，無人機(jī)必須全程自主地飛過一個樹木繁茂的地區(qū)，穿過一處明亮的停機(jī)坪，尋找到一扇敞開的大門，飛進(jìn)昏暗的機(jī)庫，圍繞著機(jī)庫內(nèi)部的墻壁和垂直障礙物進(jìn)行機(jī)動飛行，找到一個作為目標(biāo)的紅色化學(xué)桶，最后再飛回到起點(diǎn)。

每個團(tuán)隊(duì)在面對不同的路線時顯示出各自的長處和短處，這取決于他們選用的傳感器以及在不熟悉的環(huán)境中各自的導(dǎo)航算法。一些團(tuán)隊(duì)的無人機(jī)在室內(nèi)繞行障礙物上表現(xiàn)較好，而其他團(tuán)隊(duì)的無人機(jī)則在室外通過樹叢或開放空間時表現(xiàn)較好。

測試主管通過面前的兩臺視頻顯示器跟蹤無人機(jī)的飛行過程。顯示器上顯示著沿飛行路線設(shè)置的多臺攝像機(jī)所拍攝的畫面。一旦無人機(jī)超出視野范圍，團(tuán)隊(duì)成員就通過顯示器跟蹤其飛行進(jìn)程。

改善自主能力

FLA計劃的測試成功取決于開發(fā)出優(yōu)秀的程序。然而，實(shí)際測試過程中也頻繁發(fā)生令人失望的情況。有時，無人機(jī)會飛到線路上一點(diǎn)，難以理解地開始盤旋，好像對下一步要做什么感到茫然或困惑。不過按照預(yù)先設(shè)定的程序，無人機(jī)一旦不知道接下來要做什么，就會在短暫的停頓后飛回起始點(diǎn)。

在無人機(jī)飛行方向錯誤或失控時，一名安全操作員會使用應(yīng)急射頻通信裝置接管無人機(jī)，控制其著陸以免損毀。由于之前的試驗(yàn)中曾多次發(fā)生無人機(jī)飛出邊界或者開始無規(guī)律飛行的情況，因此特為無人機(jī)加裝了這一安全裝置。

并非每次著陸都很平穩(wěn)落地。數(shù)次，四旋翼無人機(jī)由于飛得太快，以至于安全操作員來不及反應(yīng)去接管它，無人機(jī)便徑直地撞上了樹木或者機(jī)庫一側(cè)。這時，研究團(tuán)隊(duì)會對程序算法進(jìn)行修正調(diào)整，并上傳到新的無人機(jī)上。每個團(tuán)隊(duì)都有數(shù)架無人機(jī)備用，會根據(jù)需要立刻替換掉那些損壞的飛行器，以便在每次任務(wù)分配的20分鐘時間內(nèi)進(jìn)行盡可能多的嘗試。

FLA計劃經(jīng)理萊德表示，研究團(tuán)隊(duì)在第一階段所實(shí)現(xiàn)的性能令人印象深刻，我們期待在第二階段里以目前學(xué)到的寶貴的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步的改善。為使無人機(jī)在所測試的大量場景中實(shí)現(xiàn)完全自主，研究團(tuán)隊(duì)仍然有很多工作要做。

同時，萊德還指出，研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的算法很快可以用于增強(qiáng)當(dāng)前依賴GPS的無人機(jī)，擴(kuò)展它們的應(yīng)用范圍。例如，現(xiàn)有的無人機(jī)可在進(jìn)入建筑物內(nèi)之前使用GPS導(dǎo)航，進(jìn)入室內(nèi)后由FLA計劃研究的算法接管，以確保飛行中不發(fā)生碰撞。他相信，在不久的將來，基于GPS的無人機(jī)系統(tǒng)與FLA計劃的各種新功能相互協(xié)同會有非常好的效果。

FLA計劃的出發(fā)點(diǎn)是無人機(jī)，但是這一計劃中所取得的成果在地面、海洋和水下系統(tǒng)，尤其是那些GPS信號不佳或者無GPS信號的環(huán)境中，均具有很大的應(yīng)用潛力。

第二階段，無人機(jī)在佛羅里達(dá)州的叢林中開始飛行測試

編輯：石堅(jiān)