研究人員創(chuàng)建了一個(gè)軌跡規(guī)劃系統(tǒng)，使在同一空域一起工作的無(wú)人機(jī)能夠始終選擇安全的前進(jìn)路徑。

當(dāng)多架無(wú)人機(jī)在同一空域一起工作時(shí)，也許在玉米地上噴灑農(nóng)藥，它們可能會(huì)相互碰撞。

為了幫助避免這些代價(jià)高昂的崩潰，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)。這種多智能體軌跡規(guī)劃器使一組無(wú)人機(jī)能夠制定的、無(wú)碰撞的軌跡。每個(gè)代理都會(huì)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，智能體在優(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)生沖突。

但是，當(dāng)該團(tuán)隊(duì)在真正的無(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)于其合作伙伴軌跡的信息，它可能會(huì)無(wú)意中選擇導(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，即使智能體之間的通信延遲，也能生成無(wú)碰撞的軌跡。

“MADER在模擬中效果很好，但它還沒(méi)有在硬件上進(jìn)行測(cè)試。因此，我們制造了一堆無(wú)人機(jī)并開始飛行。無(wú)人機(jī)需要相互通信以共享軌跡，但是一旦你開始飛行，你很快就會(huì)意識(shí)到總是有通信延遲，導(dǎo)致一些故障，“航空航天研究生Kota Kondo說(shuō)。

該算法包含一個(gè)延遲檢查步驟，在此期間，無(wú)人機(jī)在提交新的優(yōu)化軌跡之前等待特定的時(shí)間。如果它在延遲期間從其他無(wú)人機(jī)那里收到額外的軌跡信息，它可能會(huì)放棄新的軌跡并重新開始優(yōu)化過(guò)程。

當(dāng)近藤和他的合作者在模擬和真實(shí)無(wú)人機(jī)的飛行實(shí)驗(yàn)中測(cè)試魯棒MADER時(shí)，它在產(chǎn)生無(wú)碰撞軌跡方面取得了的成功率。雖然無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間比其他一些方法慢一些，但沒(méi)有其他基線可以保證安全。

“如果你想更安全地飛行，你必須小心，所以如果你不想與障礙物相撞，你需要更多時(shí)間才能到達(dá)目的地，這是合理的。如果你與某物相撞，無(wú)論你走多快，這并不重要，因?yàn)槟悴粫?huì)到達(dá)目的地，“近藤說(shuō)。

近藤與博士后耶穌·托德西利亞斯（Jesus Tordesillas）一起撰寫了這篇論文;研究生帕克·麻省理工學(xué)院本科生雷納爾多·菲格羅亞、胡安·拉赫德和約瑟夫·默克爾;和作者喬納森·How，Richard C. Maclaurin航空航天教授，信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（LIDS）的首席研究員，麻省理工學(xué)院-IBM沃森人工智能實(shí)驗(yàn)室的成員。該研究將在機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議上發(fā)表。

規(guī)劃軌跡

MADER 是一個(gè)異步、分散、多智能體軌跡規(guī)劃器。這意味著每架無(wú)人機(jī)都會(huì)制定自己的軌跡，雖然所有代理必須就每個(gè)新軌跡達(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。由于其分散的性質(zhì)，該系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)可能遠(yuǎn)離中央計(jì)算機(jī)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)都使用一種算法來(lái)優(yōu)化新的軌跡，該算法結(jié)合了它從其他代理那里收到的軌跡。通過(guò)不斷優(yōu)化和廣播其新軌跡，無(wú)人機(jī)避免了碰撞。

但也許一個(gè)代理在幾秒鐘前分享了它的新軌跡，但一個(gè)代理同伴沒(méi)有立即收到它，因?yàn)橥ㄐ叛舆t了。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)意中承諾進(jìn)入新的軌跡，使其處于碰撞路線。

強(qiáng)大的 MADER 可防止此類碰撞，因?yàn)槊總€(gè)代理都有兩條可用的軌跡。它保持一條它知道是安全的軌跡，它已經(jīng)檢查了潛在的碰撞。在遵循原始軌跡時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)優(yōu)化新軌跡，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)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始優(yōu)化過(guò)程。

近藤說(shuō)，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，如果代理相距數(shù)英里，則延遲檢查期需要更長(zhǎng)。

完全無(wú)碰撞

研究人員通過(guò)運(yùn)行數(shù)百個(gè)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在生成無(wú)碰撞軌跡方面成功，而所有基線都會(huì)導(dǎo)致碰撞。

研究人員還建造了六架無(wú)人機(jī)和兩個(gè)空中障礙物，并在多智能體飛行環(huán)境中測(cè)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(huì)導(dǎo)致七次碰撞，但Robust MADER在任何硬件實(shí)驗(yàn)中都沒(méi)有造成一次崩潰。

“在你真正駕駛硬件之前，你不知道什么會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。因?yàn)槲覀冎滥M和硬件之間存在差異，所以我們使算法變得健壯，因此它在實(shí)際無(wú)人機(jī)中工作，并且在實(shí)踐中看到這一點(diǎn)非常有益，“近藤說(shuō)。

使用Robust MADER，無(wú)人機(jī)能夠每秒飛行3.4米，盡管它們的平均行駛時(shí)間略長(zhǎng)于某些基線。但是，沒(méi)有其他方法在每次實(shí)驗(yàn)中都是完全無(wú)碰撞的。

在未來(lái)，近藤和他的合作者希望在戶外對(duì)Robust MADER進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)樵S多障礙物和噪音類型會(huì)影響通信。他們還希望為無(wú)人機(jī)配備視覺(jué)傳感器，以便它們可以檢測(cè)其他代理或障礙物，預(yù)測(cè)它們的運(yùn)動(dòng)，并將這些信息包含在軌跡優(yōu)化中。

這項(xiàng)工作得到了波音研究與技術(shù)公司的支持。