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麻省理工學(xué)院發(fā)布先進(jìn)算法徹底防止無人機在空中相撞
2023-04-12 16:54:56 來源 : 看航空????????警用裝備網(wǎng)訊：?當(dāng)多架無人機在同一空域工作時，也許是在一片玉米田上噴灑農(nóng)藥，它們有可能會相互碰撞。為了幫助避免這些代價高昂的碰撞，麻省理工學(xué)院的研究人員在2020年提出了一個名為MADER的系統(tǒng)。這種多代理軌跡規(guī)劃器使一組無人機能夠制定出最佳的、無碰撞的軌跡。
每個代理都會廣播它的軌跡，以便其他無人機知道它打算去哪里。然后，代理在優(yōu)化自己的軌跡時考慮對方的軌跡，以確保它們不會發(fā)生碰撞。
但是，當(dāng)研究小組在真實的無人機上測試該系統(tǒng)時，他們發(fā)現(xiàn)，如果無人機沒有關(guān)于其伙伴軌跡的最新信息，它可能會無意中選擇一條導(dǎo)致碰撞的路徑。研究人員修改了他們的系統(tǒng)，現(xiàn)在正在推出Robust MADER，這是一個多代理人軌跡規(guī)劃器，即使在代理人之間的通信延遲時也能生成無碰撞軌跡。
“MADER在模擬中效果很好，但它還沒有在硬件中測試過。因此，我們建造了一批無人機并開始飛行。無人機需要相互交談以共享軌跡，但是一旦你開始飛行，你很快就會意識到，總是有通信延遲，會帶來一些故障?！焙娇蘸秃教煜笛芯可鶮ota Kondo說。
該算法包含一個延遲檢查步驟，在此期間，無人機在致力于新的、優(yōu)化的軌跡之前會等待一定的時間。如果它在延遲期間收到來自其他無人機的額外軌跡信息，它可能會放棄其新的軌跡并重新開始優(yōu)化過程。
當(dāng)Kondo和他的合作者在模擬和真實無人機的飛行實驗中測試Robust MADER時，它在生成無碰撞軌跡方面達(dá)到了100%的成功率。雖然無人機的飛行時間比其他一些方法要慢一些，但其他基線都無法保證安全。
“如果你想飛得更安全，你就必須小心，因此，如果你不想與障礙物相撞，就會花更多時間到達(dá)目的地，這是合理的。”Kondo說，“無論你走得多快，一旦你與什么東西相撞受阻，你都無法順利到達(dá)目的地?！?/p>
Kondo與 博 士 后Jesus Tordesillas、 研 究 生Parker C. Lusk、麻省理工學(xué)院本科生Reinaldo Figueroa、Juan Rached和Joseph Merkel，以及資深作者Richard C. Maclaurin航空和航天學(xué)教授、信息和決策系統(tǒng)實驗室（LIDS）的主要研究員、麻省理工學(xué)院-IBM Watson AI實驗室的成員Jonathan P. How共同撰寫了這篇論文。該研究將在國際機器人和自動化會議上發(fā)表。
規(guī)劃軌跡
MADER是一個異步的、分散的、多代理的軌跡規(guī)劃器。這意味著每架無人機都制定自己的軌跡，雖然所有代理必須就每條新的軌跡達(dá)成一致，但他們不需要同時達(dá)成一致。這使得MADER比其他方法更具可擴展性，因為成千上萬的無人機很難同時就一條軌跡達(dá)成一致。由于其分散的性質(zhì)，該系統(tǒng)在無人機可能遠(yuǎn)離中央計算機飛行的現(xiàn)實環(huán)境中也會更好地工作。
有了MADER，每架無人機使用一種算法來優(yōu)化新的軌跡，這種算法結(jié)合了它從其他代理那里收到的軌跡。通過不斷地優(yōu)化和廣播他們的新軌跡，無人機可以避免碰撞。
但是，也許一個代理在幾秒鐘前就分享了它的新軌跡，但由于通信延遲，同伴沒有立即收到它。在現(xiàn)實世界的環(huán)境中，信號經(jīng)常被其他設(shè)備的干擾或暴風(fēng)雨天氣等環(huán)境因素延遲。由于這種不可避免的延遲，無人機可能會無意中提交一個新的軌跡，使其處于碰撞的軌道上。
Robust MADER可以徹底防止這種碰撞，因為每個代理有兩條可用的軌跡。它保留一條它知道是安全的軌跡，它已經(jīng)檢查過潛在的碰撞。在沿著原來的軌跡飛行時，無人機優(yōu)化了一條新的軌跡，但在完成延遲檢查步驟之前，它不會選擇使用新的軌跡。
在延遲檢查期間，無人機花了固定的時間反復(fù)檢查來自其他代理的通信，以了解其新軌跡是否安全。如果它檢測到潛在的碰撞，它就放棄新的軌跡，重新開始優(yōu)化過程。延遲檢查期的長度取決于代理之間的距離和可能妨礙通信的環(huán)境因素。例如，如果代理之間相距數(shù)英里，那么延遲檢查期就需要更長。
徹底消除碰撞
研究人員通過運行數(shù)百次模擬來測試他們的新方法，其中他們?nèi)藶榈匾肓送ㄐ叛舆t。在每次模擬中，Robust MADER都能100%成功地生成無碰撞軌跡，而所有的基線都會造成碰撞。
研究人員還建造了6架無人機和兩個空中障礙物，并在一個多代理人飛行環(huán)境中測試了Robust MADER。他們發(fā)現(xiàn)，雖然在這種環(huán)境中使用原始版本的MADER會導(dǎo)致7次碰撞，但Robust MADER在任何硬件實驗中都沒有引起一次崩潰。
“在硬件實際飛行之前，你不知道什么可能導(dǎo)致問題。因為我們知道模擬和實際之間是有區(qū)別的，所以我們使算法變得強大，它在真實的無人機中工作，在實踐中看到這一點是非常有意義的?！盞ondo說。
使用Robust MADER，無人機能夠每秒飛行3.4米，盡管它們的平均旅行時間比一些方式略長。但目前，除此之外沒有任何一種方法在每個實驗中都能做到完全無碰撞。
在未來，Kondo和他的合作者希望將Robust MADER放到戶外進(jìn)行測試，因為那里有許多障礙物和噪聲類型會影響通信。他們還希望為無人機配備視覺傳感器，以便它們能夠檢測到其他代理或障礙物，預(yù)測它們的運動，并將這些信息納入軌跡優(yōu)化。
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