編隊飛行、竹林穿梭，浙大微型無人機(jī)蜂群登Science Robotics封面

只需幾年的時間，我們就會看到這種無人機(jī)被部署在現(xiàn)實生活的任務(wù)中。

這是第一次有一群無人機(jī)在自然非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中成功編隊飛行，「我們向未來又邁出了一步，」研究人員寫道。
在科幻電影中，我們經(jīng)?？吹綗o人機(jī)的身影，例如在《普羅米修斯》（2012）中，宇航員在決定走哪條路之前釋放了幾個微型機(jī)載裝置來探索一艘未知的外星飛船；在《安德的游戲》（2013 年）中，無人機(jī)群包圍了飛船，形成了抵御外星人攻擊的盾牌，后來為人類贏得戰(zhàn)斗掃清了道路；在《星球大戰(zhàn) III》（2005 年）和《銀翼殺手 2049》（2017 年）中，摩天大樓之間繁忙而有序的空中交通機(jī)器人在高科技星球上也是很常見的景象。
科幻電影中機(jī)器人集群的導(dǎo)航和協(xié)調(diào)能力吸引并啟發(fā)了來自浙江大學(xué)的研究者，在兩年多的研究中，該科研團(tuán)隊解決了未知復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人單機(jī)與群體的智能導(dǎo)航與快速避障方法等一系列核心技術(shù)。
該團(tuán)隊研發(fā)的微型智能空中機(jī)器人集群可以在密集的竹林間穿梭。從展示來看，兩根竹子之間的可用空間可能不到 30 厘米寬，除了茂密垂直生長的竹子外，還有其他種類的障礙物，包括傾斜的竹子、樹干、低矮的灌木、雜草溝、不平整的地面等，這些機(jī)器人集群都能完美的通過：

機(jī)器人可以在新地形中編隊飛行，盡管有時機(jī)器人必須偏離軌跡以避開未知障礙，但之后會加速趕上編隊，迅速恢復(fù)隊形：

有限空間內(nèi)也能隨機(jī)方向飛行，臨時增加障礙物、以及人類主動干擾機(jī)器人都沒出現(xiàn)碰撞：

相互配合持續(xù)追蹤特定目標(biāo)：人類在向前移動時，不用擔(dān)心機(jī)器人發(fā)生碰撞，目標(biāo)也不會跟丟：

單個空中機(jī)器人只有手掌大小，重量比一聽百世可樂還輕：

該研究近期登上機(jī)器人領(lǐng)域權(quán)威期刊《Science Robotics》最新一期的封面，論文一作為浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生周鑫，通訊作者為該院高飛博士和許超教授。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abm5954
可以穿過茂密竹林、及時避障的無人機(jī)是如何實現(xiàn)的？
隨著計算、傳感和通信領(lǐng)域的最新發(fā)展，四旋翼等空中機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入人類生活，這些機(jī)器人具有非凡的多功能性，可以完成眾多任務(wù)，而且價格低廉。盡管單個機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到發(fā)展，但很少有機(jī)器人集群系統(tǒng)能達(dá)到類似的性能。
浙大團(tuán)隊是如何做的呢？在研究了無人機(jī)的各種應(yīng)用后，他們發(fā)現(xiàn) TEEM（軌跡規(guī)劃、擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)計算、微型尺寸）技術(shù)的關(guān)鍵是軌跡規(guī)劃，它不僅可以改變機(jī)器人軌跡形狀，還可以調(diào)整時間分布，以最大限度地利用解空間，充分挖掘無人機(jī)的能力。在僅進(jìn)行空間變形的情況下，與基準(zhǔn)比較部分相比，無人機(jī)在通過狹窄通道時，往往會繞航等待其他無人機(jī)，這將阻礙后續(xù)無人機(jī)的飛行，導(dǎo)致飛行軌跡較差甚至不安全。因此，同時規(guī)劃飛行軌跡的形狀和時間，即時間 - 空間軌跡規(guī)劃，是無人機(jī)安全高效飛行的關(guān)鍵。
盡管如此，這種聯(lián)合優(yōu)化對于多旋翼飛行器來說一直是個難題，因為共同決定軌跡的空間、時間參數(shù)是高度耦合的。在本文所提出的方法中，浙大團(tuán)隊通過解耦目標(biāo)函數(shù)計算中的空間和時間參數(shù)，實現(xiàn)實時空間 - 時間優(yōu)化，并實現(xiàn)了優(yōu)化變量和代表軌跡的中間變量之間的線性復(fù)雜度映射。

在軌跡規(guī)劃框架下，需要達(dá)到的目標(biāo)包括：多個目標(biāo)，例如更短的飛行時間、更高的平滑度和接近給定路徑；約束，例如避免碰撞和動態(tài)可行性。對于第一個需求，該研究在目標(biāo)追蹤（goal-chasing）方案下構(gòu)建規(guī)劃器，它不斷接收用戶目標(biāo)并不斷追逐最新目標(biāo)。對于第二個和第三個要求，它們之間的非凸性使得優(yōu)化問題難以解決。為了實現(xiàn)高兼容性，該研究采用將所有目標(biāo)和約束轉(zhuǎn)換為加權(quán)懲罰的約束轉(zhuǎn)錄（constraint transcription）方法。
具體來說，來自約束的懲罰被分配了比其他目標(biāo)高幾個數(shù)量級的權(quán)重。然后可以通過利用稀疏參數(shù)優(yōu)化和約束轉(zhuǎn)錄的標(biāo)準(zhǔn)求解器快速解決軌跡規(guī)劃問題。為了簡化問題，該研究提供了使用預(yù)先制定的通用懲罰 (GPP) 直觀地添加特定于任務(wù)的目標(biāo)和約束的詳細(xì)示例。GPP 包括時間最小化、平滑度最大化、避免碰撞和動態(tài)可行性。該軌跡規(guī)劃框架如圖 2D 所示

圖 2：硬件和系統(tǒng)架構(gòu)細(xì)節(jié)。
除了軌跡規(guī)劃外，該研究采用在每架無人機(jī)上獨立運(yùn)行的視覺慣性里程計進(jìn)行空中集群定位。然而，累積里程數(shù)漂移可能導(dǎo)致無人機(jī)在繼續(xù)報告時發(fā)生碰撞，為了保持安全距離，因此該研究還開發(fā)了一種分散漂移校正（decentralized drift-correction ）算法。
如圖 2 (A 和 B) 所示，每架無人機(jī)都配備了完整的感知、定位、規(guī)劃和控制功能，并通過廣播網(wǎng)共享軌跡松耦合。巧合但合理的是，本文所提出的系統(tǒng)類似于鳥類在森林中自由飛行，同時還能避開障礙物和其他移動的生物。例如，在近程導(dǎo)航中，鳥類主要依靠眼睛和前庭系統(tǒng)，相應(yīng)地，該研究開發(fā)并改進(jìn)了視覺 - 慣性測距能力。
此外，鳥類可以同時調(diào)整路徑和速度以避免碰撞，并且同時權(quán)衡飛行時間和平滑度以節(jié)省能量，基于此，該研究提出了多目標(biāo)空間 - 時間軌跡聯(lián)合優(yōu)化策略。除了受鳥類啟發(fā)外，該研究還充分利用了電動人工系統(tǒng)的優(yōu)勢。此外，該研究解決方案自然地滿足了關(guān)于個體和群體智能的分散協(xié)調(diào)，從而提高了魯棒性。
研究人員表示，未來這種小型集群機(jī)器人可用于火災(zāi)等搜救場景中，還可用于地形勘探等任務(wù)。
參考鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/1gYCNzFumi-WrujCkY0kvg