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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具2020年10月20日，Top Talk邀請(qǐng)到了北京航空航天大學(xué)全權(quán)老師，請(qǐng)他帶來題為《基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的空中高速公路：一種城市空中移動(dòng)性管理分布式控制框架》的分享。本文系全權(quán)老師分享的文字實(shí)錄，希望能對(duì)大家有所幫助或者啟發(fā)。
全權(quán)｜北京航空航天大學(xué)
全權(quán)，北京航空航天大學(xué)副教授，多倫多大學(xué)客座教授。長期從可靠飛行控制。作為第一作者，完成英文著作三部，發(fā)表文章近百篇。獲第二屆全國高校自動(dòng)化專業(yè)青年教師實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)“創(chuàng)客大賽”金獎(jiǎng)（排名第一）。
無人機(jī)交通以及最近興起的空中移動(dòng)性管理得到了廣泛的關(guān)注。為此，波音、空客、霍尼韋爾和貝爾等傳統(tǒng)航空巨頭以及Uber等新興世界級(jí)影響力的企業(yè)紛紛加入。本報(bào)告提出了空中高速公路方案以及仿真測(cè)試。該方案基于時(shí)空大數(shù)據(jù)，考慮了交通網(wǎng)絡(luò)、航線規(guī)劃和分布式控制設(shè)計(jì)。在空中高速公路上，每架無人機(jī)都有自己的規(guī)劃的航線，可以自主地自由飛行，從而支持密集立體的飛行交通。
今天我給大家?guī)砦覀儗?shí)驗(yàn)室（北航可靠飛行控制研究組）做的一些工作，主要內(nèi)容是講一種城市空中移動(dòng)性管理分布式控制框架。
相信美團(tuán)的同學(xué)一定也很非常期待實(shí)現(xiàn)無人機(jī)配送的一天早日到來。未來無人機(jī)配送服務(wù)將會(huì)極大地改變我們目前的生活方式。盡管在人群密集的區(qū)域，我們?nèi)匀恍枰咳藖硗瓿膳渌头?wù)，但是在人口比較稀疏，比如郊區(qū)等地帶，使用無人機(jī)配送會(huì)更好。報(bào)告表明，網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)將為產(chǎn)業(yè)帶來7~10倍的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，這也是我們?cè)诖蟾湃昵熬烷_始著手做這方面相關(guān)的工作的原因。
無人機(jī)的交通網(wǎng)和交通管理，是否可以利用現(xiàn)有的交通方式呢？我們通過研究發(fā)現(xiàn)，像傳統(tǒng)的民航網(wǎng)其實(shí)是不適合的，民航的飛行器其實(shí)非常稀疏，在三維空間，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的變化頻率是比較低的，有入網(wǎng)申請(qǐng)時(shí)，基本上是通過集中式的規(guī)劃。而公路網(wǎng)絡(luò)盡管很密集，但是二維空間，因此交通網(wǎng)絡(luò)管理也是偏自主的。鐵路同樣也是二維的。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化是說就像我們上互聯(lián)網(wǎng)一樣，我們需要接入網(wǎng)絡(luò)，而公路不可能馬上為我們修一條公路出來。無人機(jī)交通與公路、鐵路具有共同點(diǎn)，不同的是無人機(jī)處于三維空間， 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化比較高。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)無人機(jī)飛行控制框架時(shí)，希望設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)包括無人機(jī)的增加、網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展等變化的框架。關(guān)于路徑規(guī)劃，其實(shí)可以采用集中式加自主的方式來進(jìn)行。關(guān)于這部分的內(nèi)容我們今年發(fā)表了一篇綜述文章《低空無人機(jī)交通管理概覽與建議綜述》，感興趣的同學(xué)可以參閱。
我們希望能夠?yàn)榈涂粘掷m(xù)增長無人機(jī)及應(yīng)用提供一個(gè)低空的智能大腦。對(duì)于技術(shù)研究來說話，低空高空的區(qū)別沒有那么大，但目前我們主要是考慮低空多一些。比如說開放120米以下的低空，它的特點(diǎn)在于這些地方會(huì)有非常多的建筑，如果無人機(jī)掉下來的話，會(huì)對(duì)下方區(qū)域的人身及財(cái)產(chǎn)安全造成一些危害，這是對(duì)我們城市交通的一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。因此我們主要考慮以下三個(gè)需求：
規(guī)劃無人機(jī)的航線、起飛時(shí)間，確保無人機(jī)在避免沖突的前提下起飛：無人機(jī)航線起飛時(shí)間跟我們目前坐飛機(jī)的感覺是一樣的，有時(shí)候飛機(jī)會(huì)停在某個(gè)地方延遲起飛，目的是為了不與其他飛機(jī)在航路上發(fā)生碰撞及沖突，當(dāng)然有時(shí)候也會(huì)因?yàn)樘鞖獾仍颍枰w機(jī)延遲起飛，因?yàn)轱w機(jī)在地面等待，代價(jià)是最小的。
在避免碰撞的前提下順利完成飛行任務(wù)
應(yīng)對(duì)天氣、禁飛區(qū)等不確定因素的影響：無人機(jī)臨時(shí)在飛行過程中，我們有時(shí)需要切斷某些航線，這種情況下，我們希望飛行器仍然能夠能夠飛到目的地，至少它能安全的回到附近的機(jī)場(chǎng)。
開展空中高速公路研究，我們需要有網(wǎng)絡(luò)和時(shí)空大數(shù)據(jù)的一些研究基礎(chǔ)。
首先我們需要有通信、導(dǎo)航、監(jiān)視功能等基礎(chǔ)設(shè)施，這些功能充當(dāng)著整個(gè)無人機(jī)交通管理系統(tǒng)的眼睛、耳朵和神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)態(tài)勢(shì)感知和信息傳輸。其中，通訊就是4G/5G、衛(wèi)星通訊等，這是我們的網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)航是我們飛行器需要導(dǎo)航，比如說通過基站定位、雷達(dá)、衛(wèi)星、慣導(dǎo)以及視覺的導(dǎo)航。而監(jiān)視跟導(dǎo)航的區(qū)別在于導(dǎo)航是給飛行器用的，監(jiān)視是我們作為官方需要了解飛行器在空中的動(dòng)態(tài)。有些飛行器可能會(huì)自己導(dǎo)航，通過導(dǎo)航或者通信告訴地下的地面站，這樣的話我們可以監(jiān)視。但有些飛行器是航模，沒有通訊的功能，只能被動(dòng)的被看到，那么我們可以通過一些可見光、聲波等來監(jiān)視，還有飛行器可能通過一些ADS-B等來廣播自己的信息。因此通過以上這些功能，可以實(shí)現(xiàn)我們對(duì)飛行器飛行周邊環(huán)境的了解，地面對(duì)空中環(huán)境的了解，這是我們做空中高速公路研究的一個(gè)基礎(chǔ)。
另一方面，我們需要時(shí)空大數(shù)據(jù)的支撐。首先我們需要了解所有禁飛區(qū)，禁飛區(qū)也會(huì)動(dòng)態(tài)的變化。其次我們需要了解氣象大數(shù)據(jù)，以便我們規(guī)劃飛行器避開極端天氣。同時(shí)我們也需要獲取地理大數(shù)據(jù)的信息，比如通過地理大數(shù)據(jù)我們可以了解什么位置有障礙物，哪些區(qū)域下方是草地等，根據(jù)這些信息可以進(jìn)一步的提取一些信息，來規(guī)劃飛行器的航路、航路網(wǎng)等以及規(guī)劃飛行器的航線。另外我們還可以通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)知道哪些地方人口密集，這樣在規(guī)劃航路網(wǎng)或者航線的時(shí)候，就能避開這些人口密集的地方。以上這些都是我們研究需要的時(shí)空大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
前面提到，網(wǎng)絡(luò)是我們研究空中高速公路的基礎(chǔ)，目前在空中交通，主要是通過網(wǎng)絡(luò)來分享信息。但是網(wǎng)絡(luò)會(huì)有網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，那么網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與飛行安全是什么樣的關(guān)系呢？網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量通常由三個(gè)因素決定：噪聲，延遲，丟包（Packet loss）。由于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量原因，無人機(jī)獲取到的障礙物位置，和障礙物實(shí)際的位置可能就不一樣了。以下圖為例，無人機(jī)估計(jì)自身的位置產(chǎn)生了偏差，隨之估計(jì)障礙物位置也發(fā)生了偏差。因此我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)飛行的安全距離，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量造成的這種不確定性。這跟我們?cè)诟咚俟飞祥_車需要保持車間距是一個(gè)道理，我們車間距這個(gè)概念用到無人機(jī)的空中交通，希望以此來應(yīng)對(duì)這些丟包延遲。當(dāng)然也有人通過一些控制的方法來解決這些問題，我們這種方法應(yīng)該更適合交通的場(chǎng)景。
傳統(tǒng)的空中交通的距離沒有這么復(fù)雜，飛機(jī)之間的距離間隔非常遠(yuǎn)，那么無人機(jī)之間的距離應(yīng)該怎么來控制呢？通過研究，我們認(rèn)為無人機(jī)的安全半徑應(yīng)該滿足上圖中的關(guān)系，rm是飛行器本身的半徑，ro是障礙物本身的半徑，rv是跟飛行器速度以及機(jī)動(dòng)性相關(guān)的，re表示網(wǎng)絡(luò)的影響。網(wǎng)絡(luò)影響怎么來理解？延遲丟包率是Θ，如果丟包率為1的話，那就表示飛機(jī)完全失聯(lián)了。從保守角度來說，飛行器可能在任何位置。所以Θ越接近于1，安全半徑越大，τd表示延遲，網(wǎng)絡(luò)傳遞會(huì)有延遲。有些同學(xué)可能認(rèn)為像我們現(xiàn)在打電話的延遲已經(jīng)非常小了，但是在空中，我們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)網(wǎng)絡(luò)存在一定的延遲，另一方面丟包率會(huì)隨著距離的增加而增加。因此，我們需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果設(shè)計(jì)飛行器安全半徑。在安全半徑下，可以認(rèn)為飛行器沒有網(wǎng)絡(luò)噪聲，是完全精確的，只要保證兩個(gè)飛行器的安全半徑不相交，那么飛機(jī)器肯定不會(huì)相撞，這就是我們安全半徑的設(shè)計(jì)。
另一方面，我們需要通過一些數(shù)據(jù)做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如下圖所示，至少有兩個(gè)因素：事故概率評(píng)估（fGIA）和事故傷亡評(píng)估。事故概率評(píng)估就是說飛行器不連續(xù)飛行就墜落的可能性，可以通過統(tǒng)計(jì)方法預(yù)估。無人機(jī)相比于飛機(jī)的一個(gè)好處是，即使墜落也未必會(huì)砸傷人。飛行器墜落有一個(gè)暴露模型，比如說掉落到樹上或者房頂上對(duì)人的影響就會(huì)比較小。因此我們需要有地理信息支撐，一旦飛行器需要迫降，我們可以通過地理信息找到比如草坪等適合迫降的地帶。同時(shí)暴露模型也與人口密度相關(guān)。而傷害模型與飛行器設(shè)計(jì)相關(guān)，與飛行器下落的動(dòng)量相關(guān)。以上這些因素共同得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以用來進(jìn)行航路網(wǎng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、緊急迫降等。制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)法律法規(guī)的部門會(huì)比較關(guān)心飛行器的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，一些風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估公司也會(huì)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果去舉證飛行器的風(fēng)險(xiǎn)究竟有多大。
空中高速公路分為模型建立，算法設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三部分為大家介紹。其中，模型建立分為兩種：航路網(wǎng)模型和無人機(jī)模型，我們管理無人機(jī)需要對(duì)無人機(jī)進(jìn)行建模，而地面也需要給無人機(jī)發(fā)送指令，這相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型；算法方面可以分為集中式空中交通控制和分布式空中交通控制，集中式可以認(rèn)為所有的指令都是由地面站給飛行器發(fā)的，飛行器之間互不通信，通信完全通過地面來協(xié)調(diào)，而分布式相對(duì)來說更加靈活一些。最后是我們的仿真和實(shí)驗(yàn)。
3.1 模型建立
3.1.1 航路網(wǎng)模型
航路網(wǎng)模型可以認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是不同航路的無人機(jī)相互不干擾，保持安全距離。如果飛行器在不同航道上面，比如說一條公路上面有兩個(gè)方向，但不同航道上面的飛行器，需要保持相應(yīng)的安全距離，類似兩條路，它們之間的夾角非常小，要往一個(gè)節(jié)點(diǎn)過去，如果夾角小到一定程度的話，那么不同航道上的兩個(gè)飛行器之間的距離就很近了，就可能會(huì)有危險(xiǎn)。在實(shí)際過程中，我們無法得知無人機(jī)的具體位置，只能知道一個(gè)大概的不是特別精準(zhǔn)的位置，因此就需要無人機(jī)之間保持安全距離。
航路網(wǎng)建網(wǎng)需要對(duì)空域有了解，剛剛前面我們提到的地理信息，人口信息。如下圖所示，可以認(rèn)為黑色區(qū)域?yàn)榻w區(qū)，它有兩種，一種是比較稀疏的，一種是比較密集的。無論哪一種，都可以通過節(jié)點(diǎn)把它們連接在一起，這些節(jié)點(diǎn)可能是飛行器的起降點(diǎn)，還有一些節(jié)點(diǎn)可能是航路的交叉點(diǎn)，就像公路的交叉路口一樣。
航路網(wǎng)建網(wǎng)有兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，一是希望航路網(wǎng)的總長度越短越好，因?yàn)榻ㄔO(shè)航路網(wǎng)，這也相當(dāng)于一個(gè)基建工程，需要保證航路網(wǎng)上面的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視，這些都需要成本；二是希望航路網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)最低，考慮到比如人口密度等因素，我們希望畫出下圖所示的航路網(wǎng)，但是這是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題。
我們?cè)诤铰肪W(wǎng)建模上做了一些工作，用了下圖的幾種方法。
首先是形態(tài)學(xué)骨架法，這個(gè)跟圖像處理的骨架類似，給定一張圖片需要生成它的骨架。原理很簡單，黑色是危險(xiǎn)的邊界，生成的骨架就是這些航路，航路和兩邊的距離要盡可能的遠(yuǎn)。
其次是三角剖分法，連接3個(gè)點(diǎn)的最短路徑不是把三個(gè)邊連成一個(gè)三角形，可能是通過費(fèi)馬點(diǎn)把它們連在一起。
最后是綜合法，形態(tài)學(xué)骨架法適合密集的地圖，而三角法更適合稀疏的地圖，綜合法兼顧密集與稀疏兩種情況，通過半自動(dòng)的方式建成航路網(wǎng)。
形態(tài)學(xué)骨架法的實(shí)現(xiàn)過程如下圖所示，首先是骨架提取，有些同學(xué)可能會(huì)問為什么骨架提取之后會(huì)產(chǎn)生這些變量，這是是因?yàn)槲覀円ＷC提取出來的骨架距離兩邊黑色危險(xiǎn)區(qū)的距離要大于一定的閾值，如果不滿足的話，就要斷開去除，之后再進(jìn)行直線擬合。當(dāng)然還要在里面加入一些目標(biāo)點(diǎn)，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起。最后需要提取圖的結(jié)構(gòu)，把節(jié)點(diǎn)和邊的關(guān)系按照?qǐng)D論的建模方式提取出來。
三角剖分法就是通過費(fèi)馬點(diǎn)把這些節(jié)點(diǎn)連接在一起，有些邊會(huì)穿過障礙物，我們?cè)偻ㄟ^優(yōu)化方法避開，最后形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。另外，我們可以將人口密度等因素等效為黑色禁飛區(qū)添加到地圖中。通常在地圖中，“1”表示有障礙物，“0”表示沒有障礙物。我們?cè)诤铰肪W(wǎng)建模中做了一個(gè)進(jìn)一步的工作，用0～1之間的概率來表示，有些禁飛區(qū)比如墻等是絕對(duì)不能飛進(jìn)去的，但是有些區(qū)域人口稀疏一些，就不適合用“1”來表示，這種情況下可以使用0.4、0.5這樣的概率來表示。我們希望能夠通過這種方式來構(gòu)建航路網(wǎng)，這在下圖中沒有體現(xiàn)。
綜合法就是在下圖這種情況下，我們?cè)谡系K物密集區(qū)內(nèi)部使用形態(tài)學(xué)骨架法來做，在外部稀疏區(qū)使用費(fèi)馬點(diǎn)來做，最后把它們聯(lián)立成網(wǎng)絡(luò)。有時(shí)候我自己的學(xué)生會(huì)問我，什么叫密集的，什么叫稀疏的？我覺得不要考慮這個(gè)問題，自己來判斷，因?yàn)楹铰肪W(wǎng)建模不是一定要完全自動(dòng)化的過程，而且一旦建成之后以后就不需要改變了，所以在建模的過程中需要人為的去確定每個(gè)區(qū)域的航路網(wǎng)是什么形狀。這樣就能很好的兼顧上述兩種方法，最終形成不同的航路網(wǎng)。
2025-09-09 10:52
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