2016年6月，斯坦福大学研究员Mac Schwager在他嫂子的婚礼上偶然相遇，由此进入企鹅计数的世界。在那里，他了解到，蓝点保护科学的生物学家安妮·施密特(Annie Schmidt)正在寻找一种更好的方式来拍摄南极洲的大型企鹅聚居地。施瓦格是航空航天学的助理教授，他看到了合作的机会，因为他的工作是控制成群的自主飞行机器人。
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三年半后，施瓦格的研究生库纳尔·沙阿来到了著名的麦克默多空间站，准备在南极进行首次多无人机成像系统的试飞，该系统可以协调多架高端自主无人机的飞行，但也可以和业余无人机一起工作。
该项目的开始并不顺利。我的手都冻僵了。无人机电池太冷，无法工作。无人机遥控器太冷了。我的手机太冷了，发出警告，”沙阿回忆说。“我只是想，‘我在这里呆了两个半月，这是第一天。’”
吓,国王和他的同事们很快适应了和他们的系统,这是10月28日发表于《科学》杂志的一篇论文的主题机器人反复产生详细的视觉调查约300000双阿德利企鹅筑巢2-square-kilometer区域大小的牧杖——大致相当于角摩纳哥的国家——和另一个小群约3000对在罗伊兹海角筑巢。而牧杖角殖民地的先前的人脑控制无人机调查了两天,每一轮的新调查显示,在合作完成国家科学基金会(NSF)和美国南极计划(必备),在大约两个半小时完成,由于路线规划算法协调两到四个自主无人机和优先有效覆盖的殖民地。
“所有的移动设备远程站点和能够准备,字段和部署它一无所有除了帐篷和一个小变暖小屋手头that’s真正非凡的,”Schwager说,文章的资深作者是谁,但令他失望的是,没能加入团队。“这真的证明了自主机器人系统在远程环境中的实用性。”
无人机——斯坦福大学研究生库纳尔·沙阿和他的同事在这里住了两个多月。更大的结构是暖房，在那里做饭和充电。较小的结构是独立的帐篷。图片来源:Kunal Shah 
克罗齐尔角的阿德利企鹅聚居地。
是研究人员用来调查企鹅聚居地的无人机之一。通过运行一种先进的路径规划算法，无人机实现了自主和协作操作。由斯坦福大学路径规划算法确定的无人驾驶飞机在南极洲克罗齐尔角的阿德利企鹅聚居地的可视化路线，该聚居地占地约2平方公里。图片来源:Kunal Shah全屏幕速度是至关重要的
对企鹅聚居地的空中调查以前也有过，通常是用直升机或一架无人机进行的。用直升机拍摄的方法可以产生很好的图像质量，但是成本昂贵，燃料效率低，而且有打扰鸟类的风险。单架无人机的调查是耗时的，而且由于无人机必须从距离蜂群大约5公里(3英里)的安全距离发射，很难导航。无人机的另一个缺点是，它们必须来回飞行，只有12-15分钟的电池寿命。飞行条件突然变化的持续威胁进一步增加了快速调查的重要性。
多架无人机的使用绕过了这些挑战，斯坦福大学研究人员开发的独特路线规划算法使之成为可能。给定一个调查空间，算法对空间进行划分，为每架无人机分配目标点，并计算出如何以最有效的方式让无人机通过这些点，限制回溯和冗余旅行。一项重要的附加要求是，每架无人机都必须在进入空间的同一位置离开，这样可以节省宝贵的飞行时间。该算法还保持了一个安全的，恒定的距离，尽管高程变化，并有一个可调整的图像重叠百分比，以确保完整的调查。与机器人吸尘器的来回动作不同，Schwager将这种算法的路径描述为“有机的和蜘蛛般的”。
这个过程很快。前一天在屏幕上的算法歪歪斜斜的文字变成了这个殖民地所有企鹅的巨大图像。“我们可以看到人们在蜂群周围走动，看到所有正在筑巢的鸟儿，以及从海洋飞来飞去的鸟儿。这是难以置信的。”
天空之眼
研究人员设想了他们的多无人机系统的其他用途，比如交通监控和跟踪野火。他们已经在一些不同的环境下进行了测试。他们飞越了加利福尼亚州马林市的一个大牧场，评估可供牲畜放牧的植被。
他们还把无人机带到靠近加州和内华达州边界的莫诺湖，调查居住在湖中心Paoha岛附近的加州海鸥的数量。和南极洲一样，莫诺湖的测试也有它自己的挑战——鸟类体型较小，研究人员在释放无人机之前必须乘船到达现场，而且有可能会丢失无人机(幸运的是，这种情况没有发生)。
研究人员通过调查莫诺湖的加利福尼亚海鸥来测试他们的多无人机系统。(图片来源:Kunal Shah)
对企鹅生物学家来说，他们仍然专注于测量种群大小、出生率和筑巢密度，并将在今年进行第二轮的企鹅观察。然而，由于流感大流行，蓝点保护科学小组这次只能靠自己了。
从比喻的角度来看，研究人员希望他们的系统能够证明自主机器人和系统的积极潜力。
施瓦格说:“人类永远无法跳到天空中去数30万只企鹅，或追踪森林大火。”“我认为，自主机器人团队在帮助我们管理不断变化的世界和环境方面真的很强大，其规模是我们以前从未有过的。”
来自蓝点保护科学的研究人员也是这篇论文的合著者。这项工作得到了美国国家科学基金会的资助。
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新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2020/10/28/multi-drone-system-autonomously-surveys-penguin-colonies/