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

該團隊的自主飛行四旋翼飛行器

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

近日，蘇黎世大學機器人工程學博士生菲利普·焚風與其團隊在四旋翼自主飛行器（配置四個螺旋槳的無人機）上開發(fā)出一種新的計算方法。這種飛行算法可以讓無人機自主采取最佳飛行軌跡，并能根據(jù)不同障礙物進行提速和減速。

無人機受續(xù)航力限制，因此，需要在有限的時間內(nèi)盡可能完成災區(qū)搜救、環(huán)境巡查、貨物運送等任務。在執(zhí)行任務中，它們的航行軌跡也許會穿越如廢墟、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，是無人機執(zhí)行任務中的重點。

新算法的動態(tài)示意圖

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

論文第一作者焚風表示：“與以往描述飛行軌跡不同，這種算法的核心來自于機載攝像機和傳感器的輸入，無人機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)絡相似。不僅可以參考飛行軌跡對應進行模擬機動示，還可以通過訓練擴展各種不同的動作?！?/p>

研究的過程中，該團隊通過模擬飛行雜技動作來提升無人機的速度和靈活性，這種機動能力可能使無人機達到物理極限。并且在無人機電池續(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。

該團隊通過模擬飛行雜技動作來提升無人機的速度和靈活性，這種機動能力可能使無人機達到物理極限

蘇黎世大學機器人工程學教授大衛(wèi)·斯卡拉穆扎對此表示：“即便是最好的人類無人機駕駛員，想要完成飛行雜技動作也是一種挑戰(zhàn)?！?/p>

算法控制（藍色）與兩名人類駕駛員的飛行軌跡

長期以來，人類無人機駕駛員一直優(yōu)于自主飛行系統(tǒng)。而在最近一次的無人機競賽中，研究團隊找到兩名專家級無人機駕駛員，并使用同樣的四旋翼飛行器進行比賽。為了保證公平競賽，人類駕駛員在賽道進行了提前訓練，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的紅外線標記器等。此外，研發(fā)團隊還通過互補約束技術(shù)優(yōu)化通過的航點軌跡。

該團隊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（上），最新算法控制的自主無人機（下）

研究團隊還分別在3.3和3.15的推重比下進行實驗。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。該團隊介紹：“這種最新算法在速度和穩(wěn)定性上都要更勝一籌。其實這并不奇怪，我們通過外部攝像頭一直在觀察無人機的運動模式，并且還給無人機提供所處位置的實時信息，只要算法找到了最優(yōu)飛行軌跡，它就可以穩(wěn)定、快速地無限重復。在這一點，人類很難實現(xiàn)?！?/p>

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

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

在目前階段，無人機想要以最優(yōu)的時間完成飛行軌跡，仍需要提前數(shù)小時的計算準備工作。此外，在硬件方面研究團隊同樣希望可以改進加強，比如未來計劃搭載高分辨機載相機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技術(shù)更進一步，不過人類駕駛員仍要比算法控制的自主無人機穩(wěn)定，這是因為在面臨突發(fā)情況和意外時，人類駕駛員能夠更快地進行調(diào)整?！北M管如此，這位機器工程學的教授相信隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不斷成熟，未來多旋翼無人機將滲入更多的應用領(lǐng)域。