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“神經(jīng)著陸器”使用人工智能平穩(wěn)降落無(wú)人機(jī)

2020-11-17 00:37 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：煕晟商業(yè)管理 來(lái)源： 企鵝號(hào)
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多旋翼無(wú)人機(jī)平穩(wěn)著陸是困難的。復(fù)雜的亂流是在下降過(guò)程中，隨著地面越來(lái)越近，每個(gè)轉(zhuǎn)子從地面彈回來(lái)的氣流所產(chǎn)生的。這種亂流還沒(méi)有被很好地理解，也不容易補(bǔ)償...

多旋翼無(wú)人機(jī)平穩(wěn)著陸是困難的。復(fù)雜的亂流是在下降過(guò)程中，隨著地面越來(lái)越近，每個(gè)轉(zhuǎn)子從地面彈回來(lái)的氣流所產(chǎn)生的。這種亂流還沒(méi)有被很好地理解，也不容易補(bǔ)償，特別是對(duì)于無(wú)人駕駛飛機(jī)。這就是為什么起飛和降落通常是無(wú)人機(jī)飛行中最棘手的兩個(gè)部分。無(wú)人機(jī)通常會(huì)搖搖擺擺，慢慢地向著陸方向移動(dòng)，直到電力最終被切斷，然后它們會(huì)將剩余的距離降落到地面上。

在加州理工學(xué)院自主系統(tǒng)與技術(shù)中心（CAST），人工智能專家與控制專家合作開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)幫助自主無(wú)人機(jī)“學(xué)習(xí)”如何更安全、更快地降落，同時(shí)消耗更少的能量。他們創(chuàng)造的系統(tǒng)被稱為“神經(jīng)著陸器”（Neural Lander），是一個(gè)基于學(xué)習(xí)的控制器，可以跟蹤無(wú)人機(jī)的位置和速度，并相應(yīng)地調(diào)整其著陸軌跡和旋翼速度，以實(shí)現(xiàn)盡可能平穩(wěn)的著陸。

“這個(gè)項(xiàng)目有可能幫助無(wú)人機(jī)飛行更平穩(wěn)、更安全，尤其是在存在不可預(yù)知的狂風(fēng)，消耗更少的電池電力，無(wú)人機(jī)可以更快地土地?！盨oon-Jo Chung說(shuō)，布倫教授航空航天部門(mén)的工程和應(yīng)用科學(xué)（EAS）和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，為美國(guó)宇航局加州理工學(xué)院管理。該項(xiàng)目是由Chung和加州理工學(xué)院人工智能（AI）專家Anima Anandkumar（計(jì)算和數(shù)學(xué)科學(xué)Bren教授）以及計(jì)算和數(shù)學(xué)科學(xué)助理教授Yisong Yue合作完成的。

一篇描述神經(jīng)著陸器的論文將于5月22日在電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議上發(fā)表。這篇論文的聯(lián)合首席作者是加州理工學(xué)院的研究生施關(guān)婭，她的博士研究由鐘和岳共同指導(dǎo)，以及施希臣和邁克爾·奧康奈爾，他們是鐘的航空機(jī)器人和控制組的博士生。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNNs）是一種受大腦等生物系統(tǒng)啟發(fā)的人工智能系統(tǒng)。這個(gè)名字的“深層”部分指的是這樣一個(gè)事實(shí)：數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過(guò)多個(gè)層次，每個(gè)層次都以不同的方式處理輸入信息，以梳理出日益復(fù)雜的細(xì)節(jié)。DNNs具有自動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，這使得它們非常適合重復(fù)任務(wù)。

為了確保無(wú)人機(jī)在DNNs的引導(dǎo)下平穩(wěn)飛行，該團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為光譜歸一化的技術(shù)，該技術(shù)平滑神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，使其不會(huì)在輸入/條件變化時(shí)做出劇烈變化的預(yù)測(cè)。著陸方面的改進(jìn)是通過(guò)在三維空間中檢測(cè)偏離理想軌道的情況來(lái)衡量的。進(jìn)行了三種類型的試驗(yàn)：直線垂直降落、降弧著陸，以及無(wú)人機(jī)掠過(guò)破碎表面（如桌子邊緣）的飛行，在這種情況下，來(lái)自地面的湍流效應(yīng)會(huì)有很大差異。

新系統(tǒng)減少了100%的垂直誤差，允許控制著陸，并減少了90%的橫向漂移。在他們的實(shí)驗(yàn)中，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正的著陸，而不是像未改裝的傳統(tǒng)飛行控制器那樣在離地10到15厘米的地方卡住。此外，在掠過(guò)測(cè)試期間，神經(jīng)著陸器在無(wú)人機(jī)從掠過(guò)桌面過(guò)渡到在邊緣之外的自由空間飛行時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)平穩(wěn)得多的過(guò)渡。

“誤差更小，神經(jīng)著陸器能夠更快、更平穩(wěn)地著陸，并在地面上平穩(wěn)滑行，”Yue說(shuō)。新系統(tǒng)在CAST的三層樓高的機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，可以模擬幾乎無(wú)限多種戶外風(fēng)條件。CAST于2018年開(kāi)放，占地1萬(wàn)平方英尺，來(lái)自EAS、JPL和加州理工學(xué)院地質(zhì)與行星科學(xué)部的研究人員將在這里聯(lián)合創(chuàng)建下一代自主系統(tǒng)，同時(shí)推進(jìn)無(wú)人機(jī)研究、自主探索和生物啟發(fā)系統(tǒng)領(lǐng)域。

這種跨學(xué)科的努力帶來(lái)了來(lái)自機(jī)器學(xué)習(xí)和控制系統(tǒng)的專家。我們幾乎還沒(méi)有開(kāi)始探索這兩個(gè)地區(qū)之間豐富的聯(lián)系。

除了明顯的商業(yè)應(yīng)用——Chung和他的同事已經(jīng)為這個(gè)新系統(tǒng)申請(qǐng)了專利——新系統(tǒng)可能證明對(duì)中國(guó)科大目前正在開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目至關(guān)重要，包括一個(gè)可以在難以到達(dá)的地方（如交通堵塞）著陸的自動(dòng)醫(yī)療運(yùn)輸系統(tǒng)。Hans W. Liepmann航空學(xué)和生物工程教授Morteza Gharib說(shuō)：“運(yùn)送傷員時(shí)能夠快速平穩(wěn)地降落的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)?！睂?dǎo)演演員；也是空中救護(hù)項(xiàng)目的主要研究員之一。

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