無人機艦隊可以幫助尋找失去的徒步旅行者

在森林中找到失去的徒步旅行者可能是一個艱難而漫長的過程，因為直升機和無人駕駛飛機無法透過厚厚的樹冠瞥見。最近，有人提出，可以通過樹木進行擺動和編織的自主無人機可以幫助這些搜索。但用于引導(dǎo)飛機的GPS信號在森林環(huán)境中可能不可靠或不存在。

在下周舉行的國際實驗機器人研討會上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學(xué)院的研究人員描述了一個自主系統(tǒng)，用于在密集的森林檐篷下進行協(xié)作搜索。無人機僅使用機載計算和無線通信 - 無需GPS。

每個自主四旋翼無人機都配有激光測距儀，用于位置估算，定位和路徑規(guī)劃。當(dāng)無人機飛來飛去時，它會創(chuàng)建一個單獨的地形三維地圖。算法有助于識別未探測和已搜索的點，因此它知道它何時完全映射了一個區(qū)域。車外地面站將來自多個無人機的各個地圖融合成可由人類救援人員監(jiān)控的全球三維地圖。

在現(xiàn)實世界的實施中，雖然不在當(dāng)前系統(tǒng)中，但無人機將配備物體檢測以識別失蹤的徒步旅行者。找到后，無人機將在全球地圖上標(biāo)記徒步旅行者的位置。然后人類可以利用這些信息來規(guī)劃救援任務(wù)。

“基本上，我們用無人機替換人類，使搜索和救援過程的搜索更有效率，”第一作者，航空航天系(AeroAstro)研究生田玉倫說。

研究人員在模擬隨機生成的森林中測試了多架無人機，并在美國宇航局蘭利研究中心的森林地區(qū)測試了兩架無人機。在這兩個實驗中，每架無人機在大約兩到五分鐘內(nèi)繪制了大約20平方米的區(qū)域，并將它們的地圖實時協(xié)作融合在一起。無人機在多個指標(biāo)上也表現(xiàn)良好，包括完成任務(wù)的總體速度和時間，森林特征的檢測以及地圖的準(zhǔn)確合并。

探索和繪圖

在每架無人機上，研究人員安裝了激光雷達系統(tǒng)，通過拍攝激光束并測量反射脈沖，對周圍障礙物進行二維掃描。這可以用來檢測樹木; 然而，對于無人機，個別樹木看起來非常相似。如果無人機無法識別給定的樹，則無法確定它是否已經(jīng)探測過某個區(qū)域。

研究人員將他們的無人機編程為識別多棵樹的方向，這更加獨特。使用此方法，當(dāng)LIDAR信號返回樹簇時，算法計算樹之間的角度和距離以識別該簇。“無人機可以使用它作為一個獨特的簽名，告訴他們之前是否曾經(jīng)訪問過這個區(qū)域，或者它是否是一個新區(qū)域，”田說。

這種特征檢測技術(shù)有助于地面站準(zhǔn)確地合并地圖。無人機通常在環(huán)路中探索一個區(qū)域，隨著掃描的進行。地面站持續(xù)監(jiān)控掃描。當(dāng)兩個無人機環(huán)繞到同一個樹叢時，地面站通過計算無人機之間的相對變換來合并地圖，然后融合各個地圖以保持一致的方向。

“計算相對變換會告訴你如何對齊這兩張地圖，使其與林的外觀完全一致，”田說。

在地面站中，稱為“同時定位和映射”(SLAM)的機器人導(dǎo)航軟件 - 它既映射未知區(qū)域并跟蹤區(qū)域內(nèi)的代理 - 使用LIDAR輸入來定位和捕獲無人機的位置。這有助于它準(zhǔn)確地融合地圖。

最終結(jié)果是具有三維地形特征的地圖。樹木顯示為藍(lán)色到綠色的彩色色塊，具體取決于高度。未探測的區(qū)域是黑暗的，但是當(dāng)它們被無人機映射時變成灰色。機載路徑規(guī)劃軟件告訴無人機在飛行時總是探索這些黑暗未探測區(qū)域。田說，制作三維地圖比簡單地將相機連接到無人機并監(jiān)控視頻輸入更可靠。例如，將視頻傳輸?shù)街行恼拘枰罅繋?，這些帶寬可能在森林地區(qū)不可用。

更有效的搜索

一項重要的創(chuàng)新是一種新穎的搜索策略，讓無人機更有效地探索一個區(qū)域。根據(jù)更傳統(tǒng)的方法，無人機將始終搜索最近的可能未知區(qū)域。然而，這可能是無人機當(dāng)前位置的任意方向。無人機通常飛行很短的距離，然后停下來選擇一個新的方向。

“這不尊重?zé)o人機[運動]的動態(tài)，”田說。“它必須停下來轉(zhuǎn)動，這意味著它在時間和能量方面效率非常低，你無法真正提速。”

相反，研究人員的無人機探索最近的可能區(qū)域，同時考慮它們的速度和方向并保持一致的速度。這種策略 - 無人機傾向于以螺旋模式行進 - 更快地覆蓋搜索區(qū)域。“在搜索和救援任務(wù)中，時間非常重要，”田說。

在論文中，研究人員將他們的新搜索策略與傳統(tǒng)方法進行了比較。與該基線相比，研究人員的策略幫助無人機覆蓋了更多的區(qū)域，速度提高了幾分鐘，并且平均速度更高。

實際使用的一個限制是無人機仍然必須與車外地面站通信以進行地圖合并。在他們的戶外實驗中，研究人員必須建立一個連接每個無人機和地面站的無線路由器。在未來，他們希望設(shè)計無人機在接近彼此時進行無線通信，融合他們的地圖，然后在他們分開時切斷通信。在這種情況下，地面站將僅用于監(jiān)控更新的全球地圖。