初见成效——DARPA探索无人机在室内环境的自主飞行能力

文/温杰

初见成效
——DARPA探索无人机在室内环境的自主飞行能力

文/温杰

“快速轻型自主”计划通过开发和测试一些新算法，使小型无人机借助自身携带的各种传感器，可以在杂乱的建筑物内和障碍遍布的环境下实现自主导航飞行，完成一些低级别的任务。

2017年6月，美国国防部先进项目研究局（DARPA）的“快速轻型自主”（FLA）计划结束了第一阶段飞行测试，三个研究团队在佛罗里达州中部进行了难度逐渐递增的一系列障碍物飞行测试，并对四旋翼无人机装载的传感器进行了调试。FLA计划的目标是在充分利用现有的四旋翼无人机和廉价的惯性测量单元的前提下，着重于开发一些新颖的算法，可在类似于智能手机的低功耗小型单板机上实时高速运算，实现自主导航和规避障碍。测试结果表明，这些新算法可以用于增强当前依靠GPS的无人机，进一步扩大它们的应用范围。

开发全新算法

DARPA希望通过FLA计划开发一些先进的算法，使空中的无人机和地面的无人车在没有通信运营商、GPS或任何数据链提供引导的情况下具备自主工作的能力。DARPA通过FLA计划正在发展一些关键技术，使小型四旋翼无人机利用机载摄像头和传感器作为“眼睛”，通过智能算法实现自主导航，能够以高达20米/秒的飞行速度，完全自主飞过杂乱的建筑物和障碍遍布的环境。

FLA计划旨在实现无人机在建筑物内部自主飞行

DARPA负责FLA计划的官员表示，大多数人没有意识到现在的无人机非常依赖遥控驾驶和GPS导航。低成本的小型无人机在很大程度上依赖于通信运营商和GPS，不仅用于准确获取无人机位置，而且还用于修正无人机估算高度和速度的误差。如果没有这些数据，无人机将不能判断自身的姿态，无法长时间保持水平直线飞行，也不能及时做出类似急转弯这样的机动动作。根据FLA计划的要求，无人机必须以足够的准确性自主计算出所有这些参数，从而避开障碍并完成任务。

因此，FLA计划正在发展的技术具有很多潜在的应用。例如，在作战人员进入前安全快速地扫描建筑物内部；在森林茂密的地区或俯瞰图像无法看穿树冠的敌对区域丛林中寻找被击落的飞行员；在地震或其他灾害后进入安全性未知的受损建筑中及时确定幸存者的位置。

FLA计划专注开发的这类新算法，能够使无人机在室内、地下或受到故意干扰等GPS关闭/无法使用的环境中无需远程遥控进行工作。根据FLA计划，唯一需要人工输入的信息是无人机搜索时的粗略目标数据，通常是在飞行前上传到机载计算机上的数字图像和初步估计的目标方向与距离。如果可用的话，相关地区的基本地图或卫星图像也可以上传。

经过改装的四旋翼无人机具有更好的防撞性能

无人机穿过杂乱的环境，寻找到目标点

操作者发出起飞指令后，无人机必须自主导航飞抵目标区域，在没有其他任何关于地形或环境信息的情况下，围绕飞行路径上的未知障碍物进行自主机动，并根据需要寻找替代路径。

展开飞行测试

在DARPA资助下，德雷珀实验室与马萨诸塞理工学院、航空环境与科学系统公司、宾夕法尼亚大学等3个研究团队参与了FLA计划，使用大疆公司的“风火轮”450（Flamewheel F450）四旋翼无人机。但是，每个团队都为所提供的无人机带来了独特的技术和解决方案。

2016年2月，FLA计划在第102情报联队驻扎的奥蒂斯国民警卫队基地的机库内进行了首次测试。研究人员在机库内设置了模拟的墙壁、箱子和其他障碍物，用以测试飞行的灵敏度和速度。这次试验主要验证了在装载高分辨率机载摄像头与雷达、声纳和惯性测量单元等其他传感器的情况下，四旋翼无人机的飞行速度能够达到所要求的20米/秒，并初步实现自主飞行。

今年6月，3个团队在佛罗里达州进行的第一阶段飞行测试中，结合之前3次飞行试验的一些要素，同时测试了各自的算法在实际条件下的各项性能和稳定性。例如，从明亮的阳光照射环境到阴暗的室内环境时的快速调整，感知与规避悬垂了大量西班牙青苔的树木，通过一个简单的迷宫，或者在缺乏特征的地区穿越较长的距离。

在最后一天，无人机必须全程自主地飞过一个树木繁茂的地区，穿过一处明亮的停机坪，寻找到一扇敞开的大门，飞进昏暗的机库，围绕着机库内部的墙壁和垂直障碍物进行机动飞行，找到一个作为目标的红色化学桶，最后再飞回到起点。

每个团队在面对不同的路线时显示出各自的长处和短处，这取决于他们选用的传感器以及在不熟悉的环境中各自的导航算法。一些团队的无人机在室内绕行障碍物上表现较好，而其他团队的无人机则在室外通过树丛或开放空间时表现较好。

测试主管通过面前的两台视频显示器跟踪无人机的飞行过程。显示器上显示着沿飞行路线设置的多台摄像机所拍摄的画面。一旦无人机超出视野范围，团队成员就通过显示器跟踪其飞行进程。

改善自主能力

FLA计划的测试成功取决于开发出优秀的程序。然而，实际测试过程中也频繁发生令人失望的情况。有时，无人机会飞到线路上一点，难以理解地开始盘旋，好像对下一步要做什么感到茫然或困惑。不过按照预先设定的程序，无人机一旦不知道接下来要做什么，就会在短暂的停顿后飞回起始点。

在无人机飞行方向错误或失控时，一名安全操作员会使用应急射频通信装置接管无人机，控制其着陆以免损毁。由于之前的试验中曾多次发生无人机飞出边界或者开始无规律飞行的情况，因此特为无人机加装了这一安全装置。

并非每次着陆都很平稳落地。数次，四旋翼无人机由于飞得太快，以至于安全操作员来不及反应去接管它，无人机便径直地撞上了树木或者机库一侧。这时，研究团队会对程序算法进行修正调整，并上传到新的无人机上。每个团队都有数架无人机备用，会根据需要立刻替换掉那些损坏的飞行器，以便在每次任务分配的20分钟时间内进行尽可能多的尝试。

FLA计划经理莱德表示，研究团队在第一阶段所实现的性能令人印象深刻，我们期待在第二阶段里以目前学到的宝贵的经验为基础进行进一步的改善。为使无人机在所测试的大量场景中实现完全自主，研究团队仍然有很多工作要做。

同时，莱德还指出，研究团队所开发的算法很快可以用于增强当前依赖GPS的无人机，扩展它们的应用范围。例如，现有的无人机可在进入建筑物内之前使用GPS导航，进入室内后由FLA计划研究的算法接管，以确保飞行中不发生碰撞。他相信，在不久的将来，基于GPS的无人机系统与FLA计划的各种新功能相互协同会有非常好的效果。

FLA计划的出发点是无人机，但是这一计划中所取得的成果在地面、海洋和水下系统，尤其是那些GPS信号不佳或者无GPS信号的环境中，均具有很大的应用潜力。

第二阶段，无人机在佛罗里达州的丛林中开始飞行测试

编辑：石坚