该系统可以防止高速无人机在陌生地区坠毁

无人驾驶飞机在探索未知领域时非常谨慎。他们蹑手蹑脚地前进，经常在前进前映射不熟悉的区域，以免撞上未被发现的物体。但这种减速对执行时间敏感任务的无人机来说并不理想，比如在茂密的森林中执行搜索和救援任务。 

现在，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种轨迹规划模型，可以帮助无人机在以前没有探索过的地区高速飞行，同时保持安全。

这个模型——被恰当地命名为“更快”——在不考虑安全因素的情况下，估计了从起点到终点跨越无人机能看到和看不到的所有区域的最快可能路径。但是，当无人机飞行时，模型会持续记录无碰撞的“备份”路径，这些路径与快速飞行路径略有偏离。当无人机不确定某个特定区域时，它会沿着备用路径绕行并重新规划其路径。因此，无人机可以沿着最快的轨道高速飞行，同时偶尔会稍微减速以确保安全。

“我们总是想走最快的路线，但并不总是知道它是否安全。当我们沿着这个最快的路径,如果我们发现有一个问题,我们需要有一个备份计划,”耶稣西里亚斯说,航空航天系的研究生(航空航天系)和第一作者的一篇论文描述了模型被呈现在下月的国际会议上智能机器人和系统。“我们获得了一个可能不安全的高速轨道和一个完全安全的低速轨道。这两条路一开始是缝合在一起的，但后来一条为了性能而偏离，另一条为了安全而偏离。”

在森林模拟中，一架虚拟无人机在代表树木的圆柱体周围导航，速度更快的无人机安全完成飞行路径的速度是传统模型的两倍。在现实生活的测试中，速度更快的无人机在一个大房间里操纵纸箱，速度达到每秒7.8米。研究人员说，这是对无人机飞行速度的限制，基于重量和反应时间。

“这是你所能达到的最快速度，”合著者乔纳森·豪(Jonathan How)说，他是理查德·考克伯恩·麦克劳林(Richard Cockburn Maclaurin)航空航天学教授。“如果你站在一个房间里，一架无人机以每秒7到8米的速度飞行，你可能会后退一步。”

这篇论文的另一位合著者是布雷特·t·洛佩兹(Brett T. Lopez)，他曾是航空航天专业的博士生，现在是美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室的博士后。

分裂的路径

无人机使用摄像机来捕捉环境，如体素，即由深度信息生成的三维立方体。当无人机飞行时，每个检测到的体素都被标记为“自由已知空间”、“未被对象占用”和“已占用已知空间”，其中包含对象。环境的其余部分是“未知空间”。

FASTER利用所有这些区域来规划三种类型的轨迹——“完整的”、“安全的”和“承诺的”。“整个轨迹就是从起点A到终点B的整个路径，穿过已知和未知的区域。为此，“凸分解”(一种将复杂模型分解为离散组件的技术)生成重叠的多面体，对环境中的这三个区域进行建模。该模型利用一些几何技术和数学约束，利用这些多面体来计算最优的整体轨迹。

同时，该模型规划一个安全的轨道。在整个飞行轨迹的某个地方，它会绘制出一个“救援”点，根据飞行速度和其他因素，这个“救援”点指示无人机可以在最后一刻绕过障碍，进入自由已知空间。为了找到一个安全的目的地，它计算覆盖自由已知空间的新多面体。然后，它在这些新的多面体内定位一个点。基本上，无人机会停在一个安全但尽可能靠近未知空间的地方，这样就能快速高效地绕行。

坚定的轨迹

所承诺的弹道包括整个弹道的第一个区间，以及整个安全弹道。但是第一个间隔是独立于安全轨迹的，因此它不受安全轨迹所需制动的影响。

无人机一次计算一个完整的轨迹，同时始终跟踪安全的轨迹。但它有一个时间限制:当它到达救援点时，它必须成功地计算出下一个穿越已知或未知空间的完整轨迹。如果是这样，它将继续沿着整个轨迹前进。否则，就会偏离安全轨道。这种方法使无人机能够保持高速沿着承诺的轨迹，这是实现高整体速度的关键。

为了实现这一切，研究人员为无人机设计了快速处理所有规划数据的方法，这是一个挑战。因为地图是如此的不同，例如，给每个承诺轨迹的时间限制最初变化很大。这在计算上很昂贵，而且会降低无人机的规划速度，因此研究人员开发了一种方法，可以快速计算轨迹上所有间隔的固定时间，从而简化了计算。研究人员还设计了一些方法来减少无人机必须处理多少个多面体来绘制其周围环境。这两种方法都大大增加了计划时间。

“如何提高飞行速度和保持安全是无人机运动规划中最困难的问题之一，”Waymo的软件工程师刘思康(音)说。Waymo曾是谷歌的自动驾驶汽车项目，也是轨迹规划算法方面的专家。“这项工作展示了一个伟大的解决方案，通过加强现有的轨道生成框架。在弹道优化管道中，时间分配一直是一个棘手的问题，可能会导致收敛问题和不良行为。这篇论文通过一种新颖的方法解决了这个问题……这可能是对这个领域有深刻贡献的。”

研究人员目前正在建造更大、速度更快的无人机，这些无人机的螺旋桨设计用于保证稳定的水平飞行。传统上，无人机在飞行时需要翻滚和俯仰。但是这个定制的无人机在各种应用中会保持完全平坦。

在美国国防部(U.S. Department of Defense)的支持下，开发出了一种潜在的更快应用，它可能会改善森林环境中的搜救任务，这对自主无人机的规划和导航提出了许多挑战。“但未知的领域不一定是森林，”How说。“这可能是你不知道未来会发生什么的任何领域，重要的是你能多快获得这些知识。”主要动机是制造更灵活的无人机。”