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在小樹林飛也能又快又穩(wěn)，這是港科大沈劭劼組的“猛禽”無(wú)人機(jī)重規(guī)劃框架

2020-11-01 13:02 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：機(jī)器之心 來源：機(jī)器之心
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人從樹林中走過尚且可能被刮到頭發(fā)、衣服，但這個(gè)無(wú)人機(jī)似乎不會(huì)。如果面前有一片樹林，無(wú)人機(jī)能自己穿過去嗎？現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能夠做到這一點(diǎn)，但速度一般。最近...

人從樹林中走過尚且可能被刮到頭發(fā)、衣服，但這個(gè)無(wú)人機(jī)似乎不會(huì)。

如果面前有一片樹林，無(wú)人機(jī)能自己穿過去嗎？現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)能夠做到這一點(diǎn)，但速度一般。

最近兩年，港科大沈劭劼教授帶領(lǐng)的研究小組向這一問題發(fā)起了挑戰(zhàn)。他們提出的新方法不僅能讓無(wú)人機(jī)穿過樹林，還實(shí)現(xiàn)了快速自主導(dǎo)航。

在樹林中進(jìn)行的測(cè)試。播放速度：1 倍速。

在室內(nèi)布置的障礙中進(jìn)行的測(cè)試。播放速度：1 倍速。

從 demo 中我們可以看到，這架無(wú)人機(jī)可以在障礙重重的室內(nèi)外快速飛行，即使在拐彎處也不會(huì)撞到障礙物。這還要得益于他們提出的一個(gè)穩(wěn)健的 perception-aware 重規(guī)劃框架——RAPTOR（字面含義：猛禽）。

正如名字中所寄予的期望，RAPTOR 經(jīng)歷了各種復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)，結(jié)果都能保證無(wú)人機(jī)的平穩(wěn)、快速自主飛行。相關(guān)研究已經(jīng)提交給機(jī)器人學(xué)頂會(huì) T-RO 接受評(píng)審。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2007.03465.pdf

項(xiàng)目鏈接：https://github.com/HKUST-Aerial-Robotics/Fast-Planner

在此之前，該研究團(tuán)隊(duì)還有兩篇相關(guān)論文，其中一篇被 ICRA 2020 接收。

讓無(wú)人機(jī)飛得又快又穩(wěn)難在哪兒？

近年來，由于軌跡重規(guī)劃不斷取得進(jìn)展，讓四旋翼無(wú)人機(jī)在未知環(huán)境中自主導(dǎo)航已經(jīng)不是什么難事。然而，大多數(shù)方法只適用于中速飛行。是什么阻礙了四旋翼無(wú)人機(jī)的提速之路？作者總結(jié)出了以下幾個(gè)原因：

1. 在未知的環(huán)境中高速運(yùn)行時(shí)，四旋翼無(wú)人機(jī)需要在極短的時(shí)間內(nèi)重新規(guī)劃軌跡，以避免撞到障礙物，否則它會(huì)墜毀。然而，在非常有限的時(shí)間內(nèi)，大多數(shù)方法不能保證快速找到可行軌跡。

2. 目前的方法通常是在一個(gè)拓?fù)涞葍r(jià)類中尋找局部最優(yōu)軌跡，但該類別可能并沒有包含平穩(wěn)、快速飛行所需的最佳解決方案。

3. 現(xiàn)有的方法對(duì)環(huán)境的感知不足，當(dāng)飛行速度和障礙物密度變高時(shí)，這可能是一個(gè)致命的缺陷。如果不注意感知，按照原計(jì)劃執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)遭遇環(huán)境能見度受限等問題，進(jìn)而導(dǎo)致安全航行所需的周圍空間信息不足。

圖 1 可以更好地說明在重新規(guī)劃中不考慮感知的后果。為了最小化能量消耗，系統(tǒng)在靠近墻壁的地方生成了一條軌跡。如果沿著這條軌跡飛行，無(wú)人機(jī)對(duì)角落后面未知空間的可見性非常有限，轉(zhuǎn)過去的瞬間才發(fā)現(xiàn)障礙物已經(jīng)近在眼前。然而，此時(shí)情況已經(jīng)難以逆轉(zhuǎn)，無(wú)人機(jī)可能會(huì)直接撞上去。因此，對(duì)于無(wú)人機(jī)的安全、高速飛行來說，積極地觀察和避免可能的危險(xiǎn)比被動(dòng)地躲避危險(xiǎn)更加關(guān)鍵。

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