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當(dāng)多架無(wú)人機(jī)在同一個(gè)空域協(xié)同工作時(shí)，比如在玉米田上噴灑殺蟲(chóng)劑，它們就有可能相互碰撞。

為了幫助避免這些代價(jià)高昂的事故，麻省理工學(xué)院的研究人員在2020年推出了一個(gè)名為MADER的系統(tǒng)。這種智能軌跡規(guī)劃器使一組無(wú)人機(jī)能夠制定最佳的、無(wú)碰撞的軌跡。每個(gè)代理廣播其軌跡，以便其他無(wú)人機(jī)知道它計(jì)劃去哪里。然后，代理在優(yōu)化自己的軌跡時(shí)會(huì)考慮彼此的軌跡，以確保它們不會(huì)發(fā)生碰撞。但是當(dāng)團(tuán)隊(duì)在真實(shí)無(wú)人機(jī)上測(cè)試該系統(tǒng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)如果無(wú)人機(jī)沒(méi)有關(guān)于其伙伴軌跡的最新信息，它可能會(huì)無(wú)意中選擇一條導(dǎo)致碰撞的路徑。研究人員改進(jìn)了他們的系統(tǒng)，現(xiàn)在正在推出Robust MADER，這是一種多智能體軌跡規(guī)劃器，即使在智能體之間的通信延遲時(shí)也能生成無(wú)碰撞軌跡。航空航天研究生Kota Kondo說(shuō)：“MADER在模擬方面做得很好，但它還沒(méi)有在硬件上進(jìn)行測(cè)試。所以，我們建造了一堆無(wú)人機(jī)，并開(kāi)始飛行。無(wú)人機(jī)需要相互交談才能共享軌跡，但一旦你開(kāi)始飛行，你很快就會(huì)意識(shí)到，總是會(huì)出現(xiàn)通信延遲，從而導(dǎo)致一些故障。”。該算法包括一個(gè)延遲檢查步驟，在該步驟中，無(wú)人機(jī)會(huì)等待一段特定的時(shí)間，然后才能執(zhí)行新的優(yōu)化軌跡。如果它在延遲期內(nèi)從其他無(wú)人機(jī)那里收到額外的軌跡信息，它可能會(huì)放棄新的軌跡，重新開(kāi)始優(yōu)化過(guò)程。當(dāng)Kondo和他的合作者在真實(shí)無(wú)人機(jī)的模擬和飛行實(shí)驗(yàn)中測(cè)試Robust MADER時(shí)，它在生成無(wú)碰撞軌跡方面取得了100%的成功率。雖然無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間比其他一些方法慢一點(diǎn)，但沒(méi)有其他基線(xiàn)可以保證安全。“如果你想飛得更安全，你就得小心，所以如果你不想撞到障礙物，你就會(huì)花更多的時(shí)間到達(dá)目的地，這是合理的。如果你撞到什么東西，無(wú)論你走得多快，都沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)槟悴粫?huì)到達(dá)目的地，”Kondo說(shuō)。

規(guī)劃軌跡

MADER是一種異步、去中心化、多智能體的軌跡規(guī)劃器。這意味著每架無(wú)人機(jī)都會(huì)制定自己的軌跡，盡管所有特工都必須就每一條新的軌跡達(dá)成一致，但他們不需要同時(shí)達(dá)成一致。這使得MADER比其他方法更具可擴(kuò)展性，因?yàn)閿?shù)千架無(wú)人機(jī)很難同時(shí)就軌跡達(dá)成一致。由于其去中心化的特性，該系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)可能飛離中央計(jì)算機(jī)很遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中也能更好地工作。借助MADER，每架無(wú)人機(jī)都使用一種算法優(yōu)化新軌跡，該算法結(jié)合了從其他代理那里收到的軌跡。通過(guò)不斷優(yōu)化和廣播它們的新軌跡，無(wú)人機(jī)避免了碰撞。但也許一個(gè)無(wú)人機(jī)在幾秒鐘前分享了它的新軌跡，但由于通信延遲，另一個(gè)代理人沒(méi)有立即收到它。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，信號(hào)通常會(huì)因其他設(shè)備的干擾或暴風(fēng)雨天氣等環(huán)境因素而延遲。由于這種不可避免的延遲，無(wú)人機(jī)可能會(huì)無(wú)意中走上一條新的軌跡，從而使其進(jìn)入碰撞過(guò)程。Robust MADER可以防止此類(lèi)碰撞，因?yàn)槊總€(gè)代理都有兩個(gè)可用軌跡。它保留一條它知道是安全的軌跡，并且已經(jīng)檢查了潛在的碰撞。在遵循原始軌跡的同時(shí)，無(wú)人機(jī)優(yōu)化了一條新軌跡，但在完成延遲檢查步驟之前不會(huì)提交新軌跡。在延遲檢查期間，無(wú)人機(jī)會(huì)花費(fèi)固定的時(shí)間反復(fù)檢查來(lái)自其他代理的通信，以查看其新軌跡是否安全。如果它檢測(cè)到潛在的碰撞，它會(huì)放棄新的軌跡并重新開(kāi)始優(yōu)化過(guò)程。Kondo，延遲檢查期的長(zhǎng)短取決于代理之間的距離和可能阻礙通信的環(huán)境因素。例如，如果代理相距很遠(yuǎn)，則延遲檢查時(shí)間就需要更長(zhǎng)。

完全無(wú)碰撞

研究人員通過(guò)運(yùn)行數(shù)百次模擬來(lái)測(cè)試他們的新方法，在這些模擬中他們?nèi)藶榈匾肓送ㄐ叛舆t。在每次模擬中，Robust MADER都100%成功地生成了無(wú)碰撞軌跡，而所有基線(xiàn)都導(dǎo)致了碰撞。研究人員還建造了六架無(wú)人機(jī)和兩個(gè)空中障礙物，并在多代理飛行環(huán)境中測(cè)試了 Robust MADER。他們發(fā)現(xiàn)，雖然在此環(huán)境中使用原始版本的MADER會(huì)導(dǎo)致七次碰撞，但Robust MADER在任何硬件實(shí)驗(yàn)中都沒(méi)有發(fā)生碰撞。Kondo說(shuō)：“在你真正駕駛硬件之前，你不知道是什么導(dǎo)致了問(wèn)題。因?yàn)槲覀冎滥M和硬件之間有區(qū)別，所以我們使算法變得強(qiáng)大，因此它在實(shí)際的無(wú)人機(jī)中運(yùn)行，并且實(shí)踐中看到這一點(diǎn)是非常有意義的”。使用 Robust MADER，無(wú)人機(jī)能夠以每秒 3.4 米的速度飛行，盡管它們的平均飛行時(shí)間比某些基線(xiàn)略長(zhǎng)。但沒(méi)有其他方法在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中都能完全避免碰撞。未來(lái)，Kondo和他的合作者希望在戶(hù)外對(duì)Robust MADER進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)樵S多障礙和類(lèi)型的噪音都會(huì)影響通信。他們還想為無(wú)人機(jī)配備視覺(jué)傳感器，以便它們能夠檢測(cè)其他代理人或障礙物，預(yù)測(cè)它們的移動(dòng)，并將該信息包含在軌跡優(yōu)化中。這項(xiàng)工作得到了波音研究與技術(shù)公司的支持。

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