最新算法無人機(jī)首次戰(zhàn)勝人類專家駕駛員機(jī)動(dòng)能力可挑戰(zhàn)物理極限

該團(tuán)隊(duì)的自主飛行四旋翼飛行器

近幾年，無人機(jī)大規(guī)模涌入公眾視野。無論是商業(yè)活動(dòng)還是農(nóng)業(yè)項(xiàng)目甚至火星勘測，無人機(jī)都已普及各行各業(yè)之中。尤其在面對搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)，與傳統(tǒng)救援相比，無人機(jī)更有無法取代的優(yōu)勢。

近日，蘇黎世大學(xué)機(jī)器人工程學(xué)博士生菲利普·焚風(fēng)與其團(tuán)隊(duì)在四旋翼自主飛行器（配置四個(gè)螺旋槳的無人機(jī)）上開發(fā)出一種新的計(jì)算方法。這種飛行算法可以讓無人機(jī)自主采取最佳飛行軌跡，并能根據(jù)不同障礙物進(jìn)行提速和減速。

無人機(jī)受續(xù)航力限制，因此，需要在有限的時(shí)間內(nèi)盡可能完成災(zāi)區(qū)搜救、環(huán)境巡查、貨物運(yùn)送等任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)中，它們的航行軌跡也許會(huì)穿越如廢墟、森林、甚至窗戶等特定位置。所以，如何正確和快速地通過障礙找出最佳航行軌跡，是無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)中的重點(diǎn)。

新算法的動(dòng)態(tài)示意圖

另據(jù)悉，相關(guān)論文近日以《四旋翼航路點(diǎn)飛行時(shí)間優(yōu)化規(guī)劃》為題發(fā)表在Science Robotics。

論文第一作者焚風(fēng)表示：“與以往描述飛行軌跡不同，這種算法的核心來自于機(jī)載攝像機(jī)和傳感器的輸入，無人機(jī)可以將獲取到的信息直接轉(zhuǎn)換為控制命令，這與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似。不僅可以參考飛行軌跡對應(yīng)進(jìn)行模擬機(jī)動(dòng)示，還可以通過訓(xùn)練擴(kuò)展各種不同的動(dòng)作。”

研究的過程中，該團(tuán)隊(duì)通過模擬飛行雜技動(dòng)作來提升無人機(jī)的速度和靈活性，這種機(jī)動(dòng)能力可能使無人機(jī)達(dá)到物理極限。并且在無人機(jī)電池續(xù)航里程內(nèi)，更快的速度和更高的敏捷性將更有利于搜索和救援任務(wù)。

該團(tuán)隊(duì)通過模擬飛行雜技動(dòng)作來提升無人機(jī)的速度和靈活性，這種機(jī)動(dòng)能力可能使無人機(jī)達(dá)到物理極限

蘇黎世大學(xué)機(jī)器人工程學(xué)教授大衛(wèi)·斯卡拉穆扎對此表示：“即便是最好的人類無人機(jī)駕駛員，想要完成飛行雜技動(dòng)作也是一種挑戰(zhàn)。”

算法控制（藍(lán)色）與兩名人類駕駛員的飛行軌跡

長期以來，人類無人機(jī)駕駛員一直優(yōu)于自主飛行系統(tǒng)。而在最近一次的無人機(jī)競賽中，研究團(tuán)隊(duì)找到兩名專家級無人機(jī)駕駛員，并使用同樣的四旋翼飛行器進(jìn)行比賽。為了保證公平競賽，人類駕駛員在賽道進(jìn)行了提前訓(xùn)練，但最終還是輸給了新研發(fā)的算法控制。

據(jù)了解，在競賽勝出的無人機(jī)設(shè)備重量約0.8公斤，推重比接近4，身上配備有Jetson TX2、萊爾德通信模塊和用于捕捉活動(dòng)的紅外線標(biāo)記器等。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還通過互補(bǔ)約束技術(shù)優(yōu)化通過的航點(diǎn)軌跡。

該團(tuán)隊(duì)的自主飛行四旋翼飛行器

競賽的飛行軌跡，兩名人類專家級駕駛的無人機(jī)（上），最新算法控制的自主無人機(jī)（下）

研究團(tuán)隊(duì)還分別在3.3和3.15的推重比下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，最新算法依舊比人類駕駛員取得更優(yōu)的單圈成績。該團(tuán)隊(duì)介紹：“這種最新算法在速度和穩(wěn)定性上都要更勝一籌。其實(shí)這并不奇怪，我們通過外部攝像頭一直在觀察無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式，并且還給無人機(jī)提供所處位置的實(shí)時(shí)信息，只要算法找到了最優(yōu)飛行軌跡，它就可以穩(wěn)定、快速地?zé)o限重復(fù)。在這一點(diǎn)，人類很難實(shí)現(xiàn)。”

除了比賽，研究團(tuán)隊(duì)為測試其算法的穩(wěn)定性和有效性，對無人機(jī)做了大量機(jī)動(dòng)飛行測試，包括動(dòng)力循環(huán)、自主穿越飛行和各類花式翻滾等。在測試中過無人機(jī)承受著極端的角加速度和推力，即便如此，記載傳感器機(jī)身依舊沒有任何物理損傷。

這種最新算法無論在軍事、民用、商界都有巨大的應(yīng)用潛力。未來，或許可以取代人類駕駛員完成更多任務(wù)。只是，在投入商用以前，研發(fā)團(tuán)隊(duì)仍要解決“降低計(jì)算要求”的問題。

在目前階段，無人機(jī)想要以最優(yōu)的時(shí)間完成飛行軌跡，仍需要提前數(shù)小時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)備工作。此外，在硬件方面研究團(tuán)隊(duì)同樣希望可以改進(jìn)加強(qiáng)，比如未來計(jì)劃搭載高分辨機(jī)載相機(jī)來替代目前的外部攝像頭。

斯卡拉穆扎表示，“雖然這次研究成果使無人機(jī)技術(shù)更進(jìn)一步，不過人類駕駛員仍要比算法控制的自主無人機(jī)穩(wěn)定，這是因?yàn)樵诿媾R突發(fā)情況和意外時(shí)，人類駕駛員能夠更快地進(jìn)行調(diào)整。”盡管如此，這位機(jī)器工程學(xué)的教授相信隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不斷成熟，未來多旋翼無人機(jī)將滲入更多的應(yīng)用領(lǐng)域。