無人機(jī)艦隊(duì)激光測繪自主地圖，幫助搜尋迷路的徒步旅行者

無人機(jī)艦隊(duì)激光測繪自主地圖，幫助搜尋迷路的徒步旅行者

該系統(tǒng)允許無人機(jī)在GPS信號不可靠的茂密森林樹冠下協(xié)助探索地形。

在森林中尋找迷路的徒步旅行者可能是一個(gè)困難和漫長的過程，因?yàn)橹鄙龣C(jī)和無人機(jī)無法從茂密的樹冠中瞥見。最近，有人提議，能夠在樹間來回穿梭的無人駕駛飛機(jī)可以幫助這些搜索。但用于引導(dǎo)飛機(jī)的GPS信號在森林環(huán)境中可能不可靠或不存在。

在實(shí)驗(yàn)性機(jī)器人國際研討會(International Symposium on Experimental Robotics conference)上，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員描述了一種無人機(jī)編隊(duì)在濃密的森林樹冠下協(xié)同搜索的自主系統(tǒng)。無人機(jī)只使用機(jī)載計(jì)算和無線通信——不需要GPS。

每個(gè)自主四旋翼無人機(jī)都配備了激光測距儀，用于位置估計(jì)、定位和路徑規(guī)劃。當(dāng)無人機(jī)四處飛行時(shí)，它會創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的三維地形地圖。算法幫助它識別未被探索和已經(jīng)被搜索的地點(diǎn)，這樣它就知道什么時(shí)候它已經(jīng)完全映射了一個(gè)區(qū)域。一個(gè)離線地面站將多架無人機(jī)上的個(gè)人地圖融合成一個(gè)全球3D地圖，由救援人員進(jìn)行監(jiān)控。

在現(xiàn)實(shí)世界中，雖然目前的系統(tǒng)中還未實(shí)現(xiàn)，但無人機(jī)將配備目標(biāo)檢測功能，以識別失蹤的徒步旅行者。一旦定位成功，無人機(jī)就會在全球地圖上標(biāo)出徒步旅行者的位置。然后，人類可以利用這些信息來計(jì)劃救援任務(wù)。

論文第一作者、航空航天學(xué)院(AeroAstro)研究生田玉倫(Yulun Tian)表示:“從本質(zhì)上講，我們正在用一隊(duì)無人機(jī)取代人類，以提高搜救過程中的搜索效率。”

研究人員測試了多架無人機(jī)，模擬了隨機(jī)產(chǎn)生的森林，并在美國宇航局蘭利研究中心的森林區(qū)域測試了兩架無人機(jī)。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每架無人機(jī)都在大約兩到五分鐘內(nèi)繪制出了大約20平方米的地圖，并將它們的地圖實(shí)時(shí)地結(jié)合在一起。無人機(jī)還在多個(gè)指標(biāo)上表現(xiàn)良好，包括完成任務(wù)的總體速度和時(shí)間、森林特征的檢測以及地圖的精確合并。

在每架無人機(jī)上，研究人員都安裝了一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過發(fā)射激光束和測量反射脈沖，對周圍障礙物進(jìn)行二維掃描。這可以用來檢測樹木;然而，對于無人機(jī)來說，單棵樹看起來非常相似。如果無人機(jī)不能識別給定的樹，它就不能確定它是否已經(jīng)探索過某個(gè)區(qū)域。

研究人員給他們的無人機(jī)編程，讓它們識別多棵樹的方向，而這種方向要明顯得多。用這種方法，當(dāng)激光雷達(dá)信號返回一個(gè)樹簇時(shí)，算法計(jì)算樹之間的角度和距離來識別這個(gè)簇。田說:“無人機(jī)可以利用這個(gè)獨(dú)特的特征來判斷他們是否曾經(jīng)去過這個(gè)區(qū)域，或者這是否一個(gè)新的區(qū)域。”

這種特征檢測技術(shù)有助于地面站精確合并地圖。無人機(jī)通常會循環(huán)探測一個(gè)區(qū)域，在飛行過程中產(chǎn)生掃描結(jié)果。地面站持續(xù)監(jiān)測掃描結(jié)果。當(dāng)兩架無人機(jī)在同一簇樹上盤旋時(shí)，地面站通過計(jì)算無人機(jī)之間的相對變換合并地圖，然后融合單個(gè)地圖以保持一致的方向。

“計(jì)算相對變換告訴你應(yīng)該如何對齊兩張地圖，這樣它就和森林的樣子完全一致，”田說。

在地面站，機(jī)器人導(dǎo)航軟件“同步定位和映射”(SLAM)——既能定位未知區(qū)域，又能追蹤該區(qū)域內(nèi)的代理——使用激光雷達(dá)輸入來定位和捕捉無人機(jī)的位置。這有助于精確地融合地圖。

最終的結(jié)果是一張帶有3D地形特征的地圖。樹木呈現(xiàn)出從藍(lán)色到綠色的色塊，這取決于高度。未被探測的區(qū)域是深色的，但在無人駕駛飛機(jī)的拍攝下，它們會變成灰色。機(jī)載路徑規(guī)劃軟件告訴無人機(jī)在飛行過程中要一直探索這些未被探索的黑暗區(qū)域。田說，制作3-D地圖比簡單地將攝像機(jī)安裝在無人機(jī)上并監(jiān)控視頻更可靠。例如，將視頻傳輸?shù)街醒胲囌拘枰罅繋挘@些帶寬在森林地區(qū)可能無法獲得。

一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新是一種新的搜索策略，讓無人機(jī)更有效地探索一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)一種更傳統(tǒng)的方法，無人機(jī)總是會搜索最接近的未知區(qū)域。然而，從無人機(jī)目前的位置看，這可能是任何方向。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。

田說:“那不尊重?zé)o人機(jī)的動(dòng)態(tài)。它必須停下來轉(zhuǎn)彎，這意味著它在時(shí)間和能量方面效率非常低，而且你無法真正加快速度。”

相反，研究人員的無人機(jī)在考慮當(dāng)前方向的同時(shí)，探索最接近的可能區(qū)域。他們相信這可以幫助無人機(jī)保持更穩(wěn)定的速度。這種策略——無人機(jī)傾向于呈螺旋狀飛行——覆蓋搜索區(qū)域的速度要快得多。“在搜救任務(wù)中，時(shí)間是非常重要的，”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。與這一基線相比，研究人員的策略幫助無人機(jī)明顯覆蓋了更多的區(qū)域，速度快了幾分鐘，平均速度也提高了。

實(shí)際使用的一個(gè)限制是，無人機(jī)仍然必須與場外地面站進(jìn)行通信以進(jìn)行地圖合并。在他們的戶外實(shí)驗(yàn)中，研究人員必須設(shè)置一個(gè)無線路由器，將每架無人機(jī)和地面站連接起來。未來，他們希望設(shè)計(jì)無人機(jī)在接近對方時(shí)進(jìn)行無線通信，融合地圖，然后在分離時(shí)切斷通信。在這種情況下，地面站將僅用于監(jiān)測更新后的全球地圖。