DARPA探索無人機室內自主飛行能力

2017年6月，美國國防部預研局（DARPA）的“快速輕型自主”（FLA）計劃結束了第一階段飛行測試，三個研究團隊在佛羅里達州中部進行了難度逐漸遞增的一系列障礙物飛行測試，并對四旋翼無人機裝載的傳感器進行了調試。這項計劃的目的是在充分利用現有的四旋翼無人機和廉價的慣性測量單元的前提下，著重于開發一些新穎的算法，可在類似于智能手機的低功耗小型單板機上實時高速運算，實現自主導航和規避障礙。測試結果表明，這些新算法可以用于增強當前依靠GPS的無人機的制導控制性能，進一步擴大它們的應用范圍。

開發全新算法

FLA計劃的目標是開發一些先進的算法，使空中的無人機和地面的無人車在沒有通信運營商、GPS或任何數據鏈提供引導的情況下具備自主工作的能力。DARPA通過FLA計劃正在發展一些關鍵技術，使小型四旋翼無人機利用機載攝像頭和傳感器作為“眼睛”，通過智能算法實現自主導航，能夠以高達20m/s的飛行速度，完全自主飛過雜亂的建筑物和障礙遍布的環境。

DARPA負責FLA計劃的官員表示，大多數人沒有意識到現在的無人機非常依賴遙控駕駛和GPS導航。低成本的小型無人機在很大程度上依賴于通信運營商和GPS，以準確獲取無人機位置，或修正無人機估算高度和速度的誤差。如果沒有這些數據，無人機將不能判斷自身的姿態，無法長時間保持水平直線飛行，也不能及時做出一個急轉彎。根據FLA計劃的要求，無人機必須以足夠的準確性自主計算出所有這些參數，從而避開障礙并完成任務。

因此，FLA計劃正在發展的技術具有很多潛在的應用。例如，在軍隊人員進入前安全快速地掃描建筑物內部；在森林茂密的地區或俯瞰圖像無法看穿樹冠的敵對區域叢林中尋找被擊落的飛行員；在地震或其他災害后進入安全性未知的受損建筑中及時確定幸存者的位置。

FLA計劃專注開發的這類新算法，能夠使無人機在室內、地下或故意干擾等GPS關閉或GPS無法使用的環境中無需遠程遙控進行工作。根據FLA計劃，唯一需要人工輸入的信息是無人機搜索時的粗略目標數據，通常是在飛行前上傳到機載計算機上的數字圖像和初步估計的目標方向與距離。如果可用的話，相關地區的基本地圖或衛星圖像也可以上傳。

駕駛員發出起飛指令后，無人機必須自主導航飛抵目標區域，在沒有其他任何關于地形或環境信息的情況下，圍繞飛行路徑上的未知障礙物進行自主機動，并根據需要尋找替代路徑。

著手飛行測試

在DARPA資助下，德雷珀實驗室與馬薩諸塞理工學院、航空環境與科學系統公司、賓夕法尼亞大學等三個研究團隊參與了FLA計劃，使用大疆創新公司的“風火輪”450（Flamewheel 450）四旋翼無人機。但是，每個團隊都為所提供的無人機帶來了獨特的技術和解決方案。

2016年2月，FLA計劃在第102情報聯隊所在的奧蒂斯國民警衛隊基地的機庫內進行了首次測試。研究人員在機庫內設置了模擬的墻壁、箱子和其他障礙物，用以測試飛行的靈敏度和速度。這次試驗主要驗證了在裝載高分辨率機載攝像頭與雷達、聲納和慣性測量單元等其他傳感器的情況下，四旋翼無人機的飛行速度能夠達到所要求的20m/s，并初步實現自主飛行。

今年6月，三個團隊在佛羅里達州進行的第一階段飛行測試中，結合之前三次飛行試驗的一些要素，同時測試了各自的算法在實際條件下的各項性能和穩定性。例如，從明亮的陽光條件到陰暗的室內條件時的快速調整，感知與規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穿越較長的距離。

在最后一天，無人機必須全程自主地飛過一個樹木繁茂的地區，穿過一處明亮的停機坪，尋找到一扇敞開的大門，飛進昏暗的機庫，圍繞著機庫內部的墻壁和垂直障礙物進行機動飛行，找到一個作為目標的紅色化學桶，最后再飛回到起點。

每個團隊在面對不同的路線時顯示出各自的長處和缺點，這取決于他們選用的傳感器以及在不熟悉的環境中各自的導航算法。一些團隊的無人機在室內繞行障礙物上表現較好，而其他團隊的無人機則在室外通過樹叢或開放空間時表現較好。

測試主管通過面前的兩臺視頻顯示器跟蹤無人機的飛行過程。顯示器上顯示著沿飛行路線設置的多臺攝像機所拍攝的畫面。一旦無人機超出視野范圍，團隊成員就通過顯示器跟蹤其飛行進程。

不斷優化軟件

FLA計劃的測試成功取決于開發出優秀的程序，然而，實際測試過程中也頻繁發生令人失望的情況。有時，無人機會飛到線路上一點，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。不過按照預先設定的程序，無人機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。

在無人機飛行方向錯誤或失控時，一名安全操作員會使用應急射頻通訊裝置接管無人機，控制其著陸以免損毀。由于實驗中曾多次發生無人機飛出邊界或者開始無規律飛行的情況，因此特為無人機安裝了這一裝置。

并非每次著陸都很平穩落地。數次，四旋翼無人機由于飛得太快，以至于安全操作員來不及反應去接管它，無人機便徑直地撞上了樹木或者機庫一側。這時，研究團隊會對程序算法進行修正調整，并上傳到新的無人機上。每個團隊都有數架無人機備用，會根據需要立刻替換掉那些損壞的飛行器，以便在每次任務分配的20min時間內進行盡可能多的嘗試。

FLA計劃經理萊德表示，“研究團隊在第一階段所實現的性能令人印象深刻，我們期待在第二階段里以目前學到的寶貴的經驗為基礎進行進一步的改善。”為使無人機在所測試的大量場景中實現完全自主，研究團隊仍然有很多工作要做。

同時，萊德還指出，研究團隊所開發的算法很快可以用于增強當前依賴GPS的無人機的制導控制性能，擴展它們的應用范圍。例如，現有的無人機可在進入建筑物內之前使用GPS導航，進入室內后由FLA計劃研究的算法接管，以確保飛行中不碰撞。他相信，在不久的將來，基于GPS的無人機系統與FLA計劃的各種新功能相互協同會有非常好的效果。

FLA計劃的出發點是無人機，但是這一計劃中所取得的成果在地面、水面和水下系統，尤其是在那些GPS信號不佳或者無GPS信號的環境中，均具有很大的應用潛力。