美國德雷珀實驗室與麻省理工學院研究團隊為無人機研發(fā)了一種先進的視覺輔助導航技術。該技術不依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、環(huán)境地圖以及動作捕捉系統(tǒng)等外部設備或設施。

背景

根據(jù)美國防高級研究計劃局(DARPA)授予的“快速輕型自主性”(FLA)合同，德雷珀和麻省理工學院建造了一種無人機，不需要外部通信設施或GNSS就能在未知的環(huán)境中自主感知和機動。該團隊研發(fā)并采取了獨特的傳感器和算法配置，并在室內(nèi)外開展了計時測試和性能評估。

當消防員、急救人員或士兵在建筑物內(nèi)、城市峽谷、地下或森林中操作小型輕型飛行器時，GNSS拒止的環(huán)境會產(chǎn)生獨特的導航挑戰(zhàn)。在許多情況下，GNSS信號的丟失可能導致這些無人機變得無法操作或運行不穩(wěn)定，還有可能使操作人員、旁觀者以及他人財產(chǎn)置于危險之中。

雖然已經(jīng)進行了一些嘗試，尋求無人機在沒有GNSS的情況下也能夠?qū)Ш降奶娲椒?，但是很多嘗試都導致信息不足，特別是對于飛行速度超越了機載技術能力的無人機而言更是如此。例如，當無人機在缺少建筑物、樹木和其他參照物的環(huán)境中飛行時，掃描激光雷達(LiDAR)通常無法實現(xiàn)精確的位置匹配。

德雷珀實驗室高級技術人員羅伯特·杜亞士表示，對無人機而言，最大的挑戰(zhàn)是平衡動力、飛行時間及其能力。

不依賴GNSS的新型無人機

研究團隊已經(jīng)找到一個最佳的小尺寸、重量和功率的平衡點，同時具備有效的機載計算能力可完全自主地執(zhí)行復雜的任務。在研發(fā)新型無人機時，該團隊發(fā)揮了德雷珀實驗室和麻省理工學院在自主路徑規(guī)劃、機器視覺、GNSS拒止導航和動態(tài)飛行控制方面的專長。

德雷珀和麻省理工研制的裝載傳感器和攝像機的無人機已經(jīng)在許多環(huán)境中進行了試驗，包括雜亂的倉庫和同時存在開闊地及茂密林木的環(huán)境。無人機在雜亂區(qū)域的速度可達10米/秒，開闊區(qū)域為20米/秒。無人機的任務包括：躲避樹木、找到建筑物入口以及保持精確的位置估計。

德雷珀高級技術人員泰德·斯坦納表示，研究團隊研發(fā)的傳感與算法配置、配有慣性測量單元(IMU)為中心的單目攝像機，使無人機具有靈活機動能力，提高了可靠性和安全性。

在2017年美國電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)舉辦的航空航天會議上，一篇論文中記錄了德雷珀實驗室對DARPA FLA項目的貢獻。研究人員研究了一種名為“利用慣性狀態(tài)估計的平滑與映射”(SAMWISE)的狀態(tài)估計(無人機位置、方向和速度)新方法。它是一種融合的視覺和慣性導航系統(tǒng)，結(jié)合了兩種傳感方式的優(yōu)點，不過隨時間累積的誤差比任何技術都要慢，能對無人機的飛行軌跡生成完整的位置、姿態(tài)和速度狀態(tài)估計。德雷珀實驗室稱，最終成果是獲得一種導航解決方案，使無人機能夠保持六自由度飛行，允許其在不依靠GNSS的情況下自主飛行，或與速度高達每小時45英里的無人機進行通信。

其他潛在應用

研究團隊對FLA項目的關注重點一直是無人機，但通過該項目取得的技術進步可能應用于地面、海洋和水下系統(tǒng)。這在GNSS降級或拒絕環(huán)境中尤其有用。