美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室與麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)為無人機(jī)研發(fā)了一種先進(jìn)的視覺輔助導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)不依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、環(huán)境地圖以及動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等外部設(shè)備或設(shè)施。

背景

根據(jù)美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)授予的“快速輕型自主性”(FLA)合同，德雷珀和麻省理工學(xué)院建造了一種無人機(jī)，不需要外部通信設(shè)施或GNSS就能在未知的環(huán)境中自主感知和機(jī)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)并采取了獨(dú)特的傳感器和算法配置，并在室內(nèi)外開展了計(jì)時(shí)測(cè)試和性能評(píng)估。

當(dāng)消防員、急救人員或士兵在建筑物內(nèi)、城市峽谷、地下或森林中操作小型輕型飛行器時(shí)，GNSS拒止的環(huán)境會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的導(dǎo)航挑戰(zhàn)。在許多情況下，GNSS信號(hào)的丟失可能導(dǎo)致這些無人機(jī)變得無法操作或運(yùn)行不穩(wěn)定，還有可能使操作人員、旁觀者以及他人財(cái)產(chǎn)置于危險(xiǎn)之中。

雖然已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試，尋求無人機(jī)在沒有GNSS的情況下也能夠?qū)Ш降奶娲椒?，但是很多嘗試都導(dǎo)致信息不足，特別是對(duì)于飛行速度超越了機(jī)載技術(shù)能力的無人機(jī)而言更是如此。例如，當(dāng)無人機(jī)在缺少建筑物、樹木和其他參照物的環(huán)境中飛行時(shí)，掃描激光雷達(dá)(LiDAR)通常無法實(shí)現(xiàn)精確的位置匹配。

德雷珀實(shí)驗(yàn)室高級(jí)技術(shù)人員羅伯特·杜亞士表示，對(duì)無人機(jī)而言，最大的挑戰(zhàn)是平衡動(dòng)力、飛行時(shí)間及其能力。

不依賴GNSS的新型無人機(jī)

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到一個(gè)最佳的小尺寸、重量和功率的平衡點(diǎn)，同時(shí)具備有效的機(jī)載計(jì)算能力可完全自主地執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。在研發(fā)新型無人機(jī)時(shí)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)揮了德雷珀實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院在自主路徑規(guī)劃、機(jī)器視覺、GNSS拒止導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)飛行控制方面的專長(zhǎng)。

德雷珀和麻省理工研制的裝載傳感器和攝像機(jī)的無人機(jī)已經(jīng)在許多環(huán)境中進(jìn)行了試驗(yàn)，包括雜亂的倉(cāng)庫和同時(shí)存在開闊地及茂密林木的環(huán)境。無人機(jī)在雜亂區(qū)域的速度可達(dá)10米/秒，開闊區(qū)域?yàn)?0米/秒。無人機(jī)的任務(wù)包括：躲避樹木、找到建筑物入口以及保持精確的位置估計(jì)。

德雷珀高級(jí)技術(shù)人員泰德·斯坦納表示，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的傳感與算法配置、配有慣性測(cè)量單元(IMU)為中心的單目攝像機(jī)，使無人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)能力，提高了可靠性和安全性。

在2017年美國(guó)電子電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)舉辦的航空航天會(huì)議上，一篇論文中記錄了德雷珀實(shí)驗(yàn)室對(duì)DARPA FLA項(xiàng)目的貢獻(xiàn)。研究人員研究了一種名為“利用慣性狀態(tài)估計(jì)的平滑與映射”(SAMWISE)的狀態(tài)估計(jì)(無人機(jī)位置、方向和速度)新方法。它是一種融合的視覺和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合了兩種傳感方式的優(yōu)點(diǎn)，不過隨時(shí)間累積的誤差比任何技術(shù)都要慢，能對(duì)無人機(jī)的飛行軌跡生成完整的位置、姿態(tài)和速度狀態(tài)估計(jì)。德雷珀實(shí)驗(yàn)室稱，最終成果是獲得一種導(dǎo)航解決方案，使無人機(jī)能夠保持六自由度飛行，允許其在不依靠GNSS的情況下自主飛行，或與速度高達(dá)每小時(shí)45英里的無人機(jī)進(jìn)行通信。

其他潛在應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)FLA項(xiàng)目的關(guān)注重點(diǎn)一直是無人機(jī)，但通過該項(xiàng)目取得的技術(shù)進(jìn)步可能應(yīng)用于地面、海洋和水下系統(tǒng)。這在GNSS降級(jí)或拒絕環(huán)境中尤其有用。