既能飛得高，也能“看”得準(zhǔn)。

 

       作者| 貝爽

 

       昨日，在深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)40周年慶上，上千架無人機(jī)在深圳上空演繹了一場(chǎng)大型燈光秀。

 

 

 

       近些年，各種無人機(jī)高空秀屢見不鮮，在剛剛過去的七夕夜上，上海警方也運(yùn)用無人機(jī)開啟了一場(chǎng)反欺詐安防宣傳。

 

       相比于技術(shù)較為成熟的高空飛行，無人機(jī)如何在更復(fù)雜和現(xiàn)實(shí)的低空環(huán)境中運(yùn)行，一直是該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。

 

       近日，瑞典呂勒奧工業(yè)大學(xué)和加利福尼亞理工學(xué)院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出一項(xiàng)最新解決方案，有望實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中自由穿行。

 

       目前這篇論文成果已同步發(fā)表至預(yù)印論文庫arXiv上。

 

 

 

       1、硬核無人機(jī)，能導(dǎo)航能避障

 

       無人機(jī)在現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用場(chǎng)景越來越豐富，如高空巡邏，搜索與救援，地下礦井導(dǎo)航，自動(dòng)包裹遞送等等。

 

 

       而豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)無人機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)也提出了更高的要求。比約恩·林德奎斯特（Bjorn Lindqvist）稱，

 

       “我們先前已經(jīng)發(fā)表了幾篇有關(guān)無人機(jī)自動(dòng)避障和導(dǎo)航的論文，而在最近的研究中，我們開始考慮如何使無人飛行器在城市環(huán)境或者動(dòng)態(tài)的移動(dòng)環(huán)境中，自由穿梭而避免與人員或其他車輛碰撞”。

比約恩·林德奎斯特是瑞典呂勒奧工業(yè)大學(xué)和加利福尼亞理工學(xué)院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)中的一員，近日，該團(tuán)隊(duì)在IEEE Robotics and Automation Letters上發(fā)表的一篇最新論文。

 

       論文中提出一種基于非線性模型預(yù)測(cè)控制（Nonlinear Model Predictive Control ，NMPC）的計(jì)算技術(shù)，可以為無人機(jī)提供更好的自主導(dǎo)航和避障能力。

 

       更具體地說，他們通過NMPC算法來預(yù)測(cè)無人機(jī)周圍環(huán)境中的障礙物軌跡，同時(shí)使用分類模型來區(qū)分不同類型的軌跡并預(yù)測(cè)障礙物的未來位置。

 

 

       研究人員通過四組實(shí)驗(yàn)評(píng)估了NMPC方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無人機(jī)模型能夠在多個(gè)移動(dòng)障礙物包圍的情況下避免碰撞。四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分別為：

 

       避免彈球時(shí)保持位置：不同方法下，無人機(jī)在保持姿勢(shì)，同時(shí)避免任何障礙物方面的性能表現(xiàn)，其中彈球?yàn)檎系K物。

 

       避開行人時(shí)保持位置：無人機(jī)在保持姿勢(shì)，同時(shí)避免障礙物方面的性能表現(xiàn)，其中行人為障礙物。

 

       彈跳條件：障礙物提供運(yùn)動(dòng)軌跡，檢測(cè)NMPC對(duì)障礙物路徑的預(yù)測(cè)和規(guī)避能力。

 

       多重障礙：檢測(cè)在多種障礙物包圍情況下，NMPC系統(tǒng)的規(guī)避能力，并測(cè)試最小安全距離。

 

       Lindqvist稱：“由于NMPC通過對(duì)未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化來進(jìn)行工作，這種方法將控制，局部路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障功能集成在一個(gè)控制層中，為動(dòng)態(tài)避障場(chǎng)景提供了快速且計(jì)算穩(wěn)定的解決方案。接下來，我們來介紹一下具體的實(shí)驗(yàn)成果。

 

       2、可預(yù)測(cè)路徑，躲避多個(gè)障礙物

 

       論文中介紹了NMPC成本函數(shù)和約束條件公式化，以及解決動(dòng)態(tài)障礙的方法。同時(shí)為了證明所提出的控制體系結(jié)構(gòu)的功效，也進(jìn)行了多種情況下的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

 

       實(shí)驗(yàn)一：避開彈丸時(shí)保持位置：無人機(jī)的任務(wù)是避開任何進(jìn)入的障礙物而保持飛行姿勢(shì)，其中障礙物是向無人機(jī)發(fā)射彈球。論文中，NMPC約束方法與人工勢(shì)場(chǎng)等其他方法進(jìn)行了比較（靜態(tài)環(huán)境下能夠快速響應(yīng)并躲避障礙物）。

 

       考慮到障礙物的靜態(tài)性，空間半徑和障礙物半徑分別設(shè)置為1m，這比避免靜態(tài)障礙物所需的安全距離要大得多，同時(shí)將勢(shì)場(chǎng)控制器的參考調(diào)整為盡可能積極。放寬NMPC的輸入速率約束，以加快響應(yīng)速度。

 

 

       在保持與緩慢移動(dòng)的障礙物的距離的同時(shí)，這兩種方法都無法避免與彈丸障礙物發(fā)生碰撞，障礙物進(jìn)入影響區(qū)域的時(shí)間很短， 這些控制器直到與無人機(jī)發(fā)生碰撞，才能及時(shí)避開，而且這些控制器也不知道障礙物的未來位置在哪里，因此，它們的避讓動(dòng)作可能會(huì)使它們沿著障礙物的軌跡移動(dòng)。

 

       實(shí)驗(yàn)二：避免行人時(shí)保持姿勢(shì)：實(shí)驗(yàn)中，“行人”在直接碰撞過程中向無人機(jī)走去，以測(cè)試無人機(jī)的避障能力和反應(yīng)速度。