當多架無人機在同一個空域協(xié)同工作時，比如在玉米田上噴灑殺蟲劑，它們就有可能相互碰撞。為了幫助避免這些代價高昂的事故，麻省理工學院的研究人員在2020年推出了一個名為MADER的系統(tǒng)。這種智能軌跡規(guī)劃器使一組無人機能夠制定最佳的、無碰撞的軌跡。每個代理廣播其軌跡，以便其他無人機知道它計劃去哪里。然后，代理在優(yōu)化自己的軌跡時會考慮彼此的軌跡，以確保它們不會發(fā)生碰撞。

但是當團隊在真實無人機上測試該系統(tǒng)時，他們發(fā)現(xiàn)如果無人機沒有關于其伙伴軌跡的最新信息，它可能會無意中選擇一條導致碰撞的路徑。研究人員改進了他們的系統(tǒng)，現(xiàn)在正在推出Robust MADER，這是一種多智能體軌跡規(guī)劃器，即使在智能體之間的通信延遲時也能生成無碰撞軌跡。

航空航天研究生Kota Kondo說：“MADER在模擬方面做得很好，但它還沒有在硬件上進行測試。所以，我們建造了一堆無人機，并開始飛行。無人機需要相互交談才能共享軌跡，但一旦你開始飛行，你很快就會意識到，總是會出現(xiàn)通信延遲，從而導致一些故障。”

該算法包括一個延遲檢查步驟，在該步驟中，無人機會等待一段特定的時間，然后才能執(zhí)行新的優(yōu)化軌跡。如果它在延遲期內從其他無人機那里收到額外的軌跡信息，它可能會放棄新的軌跡，重新開始優(yōu)化過程。

當Kondo和他的合作者在真實無人機的模擬和飛行實驗中測試Robust MADER時，它在生成無碰撞軌跡方面取得了100%的成功率。雖然無人機的飛行時間比其他一些方法慢一點，但沒有其他基線可以保證安全。

“如果你想飛得更安全，你就得小心，所以如果你不想撞到障礙物，你就會花更多的時間到達目的地，這是合理的。如果你撞到什么東西，無論你走得多快，都沒有關系，因為你不會到達目的地”，Kondo說。

規(guī)劃軌跡

MADER是一種異步、去中心化、多智能體的軌跡規(guī)劃器。這意味著每架無人機都會制定自己的軌跡，盡管所有特工都必須就每一條新的軌跡達成一致，但他們不需要同時達成一致。這使得MADER比其他方法更具可擴展性，因為數(shù)千架無人機很難同時就軌跡達成一致。由于其去中心化的特性，該系統(tǒng)在無人機可能飛離中央計算機很遠的現(xiàn)實環(huán)境中也能更好地工作。 ?

借助MADER，每架無人機都使用一種算法優(yōu)化新軌跡，該算法結合了從其他代理那里收到的軌跡。通過不斷優(yōu)化和廣播它們的新軌跡，無人機避免了碰撞。 ? 但也許一個無人機在幾秒鐘前分享了它的新軌跡，但由于通信延遲，另一個代理人沒有立即收到它。在現(xiàn)實環(huán)境中，信號通常會因其他設備的干擾或暴風雨天氣等環(huán)境因素而延遲。由于這種不可避免的延遲，無人機可能會無意中走上一條新的軌跡，從而使其進入碰撞過程。

? Robust MADER可以防止此類碰撞，因為每個代理都有兩個可用軌跡。它保留一條它知道是安全的軌跡，并且已經檢查了潛在的碰撞。在遵循原始軌跡的同時，無人機優(yōu)化了一條新軌跡，但在完成延遲檢查步驟之前不會提交新軌跡。 ? 在延遲檢查期間，無人機會花費固定的時間反復檢查來自其他代理的通信，以查看其新軌跡是否安全。如果它檢測到潛在的碰撞，它會放棄新的軌跡并重新開始優(yōu)化過程。 ? Kondo，延遲檢查期的長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，如果代理相距很遠，則延遲檢查時間就需要更長。

完全無碰撞

研究人員通過運行數(shù)百次模擬來測試他們的新方法，在這些模擬中他們人為地引入了通信延遲。在每次模擬中，Robust MADER都100%成功地生成了無碰撞軌跡，而所有基線都導致了碰撞。 ? 研究人員還建造了六架無人機和兩個空中障礙物，并在多代理飛行環(huán)境中測試了 Robust MADER。他們發(fā)現(xiàn)，雖然在此環(huán)境中使用原始版本的MADER會導致七次碰撞，但Robust MADER在任何硬件實驗中都沒有發(fā)生碰撞。 ?

Kondo說：“在你真正駕駛硬件之前，你不知道是什么導致了問題。因為我們知道模擬和硬件之間有區(qū)別，所以我們使算法變得強大，因此它在實際的無人機中運行，并且實踐中看到這一點是非常有意義的”。 ? 使用 Robust MADER，無人機能夠以3.4米/s的速度飛行，盡管它們的平均飛行時間比某些基線略長。但沒有其他方法在每個實驗中都能完全避免碰撞。 ?

未來，Kondo和他的合作者希望在戶外對Robust MADER進行測試，因為許多障礙和類型的噪音都會影響通信。他們還想為無人機配備視覺傳感器，以便它們能夠檢測其他代理人或障礙物，預測它們的移動，并將該信息包含在軌跡優(yōu)化中。這項工作得到了波音研究與技術公司的支持。 ?

編輯：黃飛

?