無人機(jī)艦隊(duì)可以幫助尋找失去的徒步旅行者

在森林中找到失去的徒步旅行者可能是一個(gè)艱難而漫長(zhǎng)的過程，因?yàn)橹鄙龣C(jī)和無人駕駛飛機(jī)無法透過厚厚的樹冠瞥見。最近，有人提出，可以通過樹木進(jìn)行擺動(dòng)和編織的自主無人機(jī)可以幫助這些搜索。但用于引導(dǎo)飛機(jī)的GPS信號(hào)在森林環(huán)境中可能不可靠或不存在。

在下周舉行的國(guó)際實(shí)驗(yàn)機(jī)器人研討會(huì)上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學(xué)院的研究人員描述了一個(gè)自主系統(tǒng)，用于在密集的森林檐篷下進(jìn)行協(xié)作搜索。無人機(jī)僅使用機(jī)載計(jì)算和無線通信 - 無需GPS。

每個(gè)自主四旋翼無人機(jī)都配有激光測(cè)距儀，用于位置估算，定位和路徑規(guī)劃。當(dāng)無人機(jī)飛來飛去時(shí)，它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的地形三維地圖。算法有助于識(shí)別未探測(cè)和已搜索的點(diǎn)，因此它知道它何時(shí)完全映射了一個(gè)區(qū)域。車外地面站將來自多個(gè)無人機(jī)的各個(gè)地圖融合成可由人類救援人員監(jiān)控的全球三維地圖。

在現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)施中，雖然不在當(dāng)前系統(tǒng)中，但無人機(jī)將配備物體檢測(cè)以識(shí)別失蹤的徒步旅行者。找到后，無人機(jī)將在全球地圖上標(biāo)記徒步旅行者的位置。然后人類可以利用這些信息來規(guī)劃救援任務(wù)。

“基本上，我們用無人機(jī)替換人類，使搜索和救援過程的搜索更有效率，”第一作者，航空航天系(AeroAstro)研究生田玉倫說。

研究人員在模擬隨機(jī)生成的森林中測(cè)試了多架無人機(jī)，并在美國(guó)宇航局蘭利研究中心的森林地區(qū)測(cè)試了兩架無人機(jī)。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每架無人機(jī)在大約兩到五分鐘內(nèi)繪制了大約20平方米的區(qū)域，并將它們的地圖實(shí)時(shí)協(xié)作融合在一起。無人機(jī)在多個(gè)指標(biāo)上也表現(xiàn)良好，包括完成任務(wù)的總體速度和時(shí)間，森林特征的檢測(cè)以及地圖的準(zhǔn)確合并。

探索和繪圖

在每架無人機(jī)上，研究人員安裝了激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過拍攝激光束并測(cè)量反射脈沖，對(duì)周圍障礙物進(jìn)行二維掃描。這可以用來檢測(cè)樹木; 然而，對(duì)于無人機(jī)，個(gè)別樹木看起來非常相似。如果無人機(jī)無法識(shí)別給定的樹，則無法確定它是否已經(jīng)探測(cè)過某個(gè)區(qū)域。

研究人員將他們的無人機(jī)編程為識(shí)別多棵樹的方向，這更加獨(dú)特。使用此方法，當(dāng)LIDAR信號(hào)返回樹簇時(shí)，算法計(jì)算樹之間的角度和距離以識(shí)別該簇。“無人機(jī)可以使用它作為一個(gè)獨(dú)特的簽名，告訴他們之前是否曾經(jīng)訪問過這個(gè)區(qū)域，或者它是否是一個(gè)新區(qū)域，”田說。

這種特征檢測(cè)技術(shù)有助于地面站準(zhǔn)確地合并地圖。無人機(jī)通常在環(huán)路中探索一個(gè)區(qū)域，隨著掃描的進(jìn)行。地面站持續(xù)監(jiān)控掃描。當(dāng)兩個(gè)無人機(jī)環(huán)繞到同一個(gè)樹叢時(shí)，地面站通過計(jì)算無人機(jī)之間的相對(duì)變換來合并地圖，然后融合各個(gè)地圖以保持一致的方向。

“計(jì)算相對(duì)變換會(huì)告訴你如何對(duì)齊這兩張地圖，使其與林的外觀完全一致，”田說。

在地面站中，稱為“同時(shí)定位和映射”(SLAM)的機(jī)器人導(dǎo)航軟件 - 它既映射未知區(qū)域并跟蹤區(qū)域內(nèi)的代理 - 使用LIDAR輸入來定位和捕獲無人機(jī)的位置。這有助于它準(zhǔn)確地融合地圖。

最終結(jié)果是具有三維地形特征的地圖。樹木顯示為藍(lán)色到綠色的彩色色塊，具體取決于高度。未探測(cè)的區(qū)域是黑暗的，但是當(dāng)它們被無人機(jī)映射時(shí)變成灰色。機(jī)載路徑規(guī)劃軟件告訴無人機(jī)在飛行時(shí)總是探索這些黑暗未探測(cè)區(qū)域。田說，制作三維地圖比簡(jiǎn)單地將相機(jī)連接到無人機(jī)并監(jiān)控視頻輸入更可靠。例如，將視頻傳輸?shù)街行恼拘枰罅繋?，這些帶寬可能在森林地區(qū)不可用。

更有效的搜索

一項(xiàng)重要的創(chuàng)新是一種新穎的搜索策略，讓無人機(jī)更有效地探索一個(gè)區(qū)域。根據(jù)更傳統(tǒng)的方法，無人機(jī)將始終搜索最近的可能未知區(qū)域。然而，這可能是無人機(jī)當(dāng)前位置的任意方向。無人機(jī)通常飛行很短的距離，然后停下來選擇一個(gè)新的方向。

“這不尊重?zé)o人機(jī)[運(yùn)動(dòng)]的動(dòng)態(tài)，”田說。“它必須停下來轉(zhuǎn)動(dòng)，這意味著它在時(shí)間和能量方面效率非常低，你無法真正提速。”

相反，研究人員的無人機(jī)探索最近的可能區(qū)域，同時(shí)考慮它們的速度和方向并保持一致的速度。這種策略 - 無人機(jī)傾向于以螺旋模式行進(jìn) - 更快地覆蓋搜索區(qū)域。“在搜索和救援任務(wù)中，時(shí)間非常重要，”田說。

在論文中，研究人員將他們的新搜索策略與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較。與該基線相比，研究人員的策略幫助無人機(jī)覆蓋了更多的區(qū)域，速度提高了幾分鐘，并且平均速度更高。

實(shí)際使用的一個(gè)限制是無人機(jī)仍然必須與車外地面站通信以進(jìn)行地圖合并。在他們的戶外實(shí)驗(yàn)中，研究人員必須建立一個(gè)連接每個(gè)無人機(jī)和地面站的無線路由器。在未來，他們希望設(shè)計(jì)無人機(jī)在接近彼此時(shí)進(jìn)行無線通信，融合他們的地圖，然后在他們分開時(shí)切斷通信。在這種情況下，地面站將僅用于監(jiān)控更新的全球地圖。