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最新算法無人機首次戰勝人類專家駕駛員,機動能力可挑戰物理極限

來源:     作者:32所站點管理員     發布時間:2021年08月17日     瀏覽次數:         

  最新算法無人機首次戰勝人類專家駕駛員,機動能力可挑戰物理極限

  近幾年,無人機大規模涌入公眾視野。無論是商業活動還是農業項目甚至火星勘測,無人機都已普及各行各業之中。尤其在面對搶險救災時,與傳統救援相比,無人機更有無法取代的優勢。

  近日,蘇黎世大學(University of Zurich,UZH)機器人工程學博士生菲利普?焚風(Philipp Foehn)與其團隊在四旋翼自主飛行器(配置四個螺旋槳的無人機)上開發出一種新的計算方法。這種飛行算法可以讓無人機自主采取最佳飛行軌跡,并能根據不同障礙物進行提速和減速。 無人機受續航力限制,因此,需要在有限的時間內盡可能完成災區搜救、環境巡查、貨物運送等任務。在執行任務中,它們的航行軌跡也許會穿越如廢墟、森林、甚至窗戶等特定位置。所以,如何正確和快速地通過障礙找出最佳航行軌跡,是無人機執行任務中的重點。  另據悉,相關論文近日以《四旋翼航路點飛行時間優化規劃》(Time-Optimal Planning for Quadrotor Waypoint Flight)為題發表在 Science Robotics。

  論文第一作者焚風表示:“與以往描述飛行軌跡不同,這種算法的核心來自于機載攝像機和傳感器的輸入,無人機可以將獲取到的信息直接轉換為控制命令,這與人工神經網絡相似。不僅可以參考飛行軌跡對應進行模擬機動示,還可以通過訓練擴展各種不同的動作。”研究的過程中,該團隊通過模擬飛行雜技動作來提升無人機的速度和靈活性,這種機動能力可能使無人機達到物理極限。并且在無人機電池續航里程內,更快的速度和更高的敏捷性將更有利于搜索和救援任務。

  蘇黎世大學機器人工程學教授大衛?斯卡拉穆扎(Davide Scaramuzza)對此表示:“即便是最好的人類無人機駕駛員,想要完成飛行雜技動作也是一種挑戰。”

  長期以來,人類無人機駕駛員一直優于自主飛行系統。而在最近一次的無人機競賽中,研究團隊找到兩名專家級無人機駕駛員,并使用同樣的四旋翼飛行器進行比賽。為了保證公平競賽,人類駕駛員在賽道進行了提前訓練,但最終還是輸給了新研發的算法控制。

  據了解,在競賽勝出的無人機設備重量約 0.8 公斤,推重比(thrust-to-weight ration)接近 4,身上配備有 Jetson TX2、萊爾德通信模塊和用于捕捉活動的紅外線標記器等。此外,研發團隊還通過互補約束(complementary constraint)技術優化通過的航點軌跡。

  研究團隊還分別在 3.3 和 3.15 的推重比下進行實驗。結果,最新算法依舊比人類駕駛員取得更優的單圈成績。該團隊介紹:“這種最新算法在速度和穩定性上都要更勝一籌。其實這并不奇怪,我們通過外部攝像頭一直在觀察無人機的運動模式,并且還給無人機提供所處位置的實時信息,只要算法找到了最優飛行軌跡,它就可以穩定、快速地無限重復。在這一點,人類很難實現。”

  除了比賽,研究團隊為測試其算法的穩定性和有效性,對無人機做了大量機動飛行測試,包括動力循環、自主穿越飛行和各類花式翻滾等。在測試中過無人機承受著極端的角加速度和推力,即便如此,記載傳感器機身依舊沒有任何物理損傷。

  這種最新算法無論在軍事、民用、商界都有巨大的應用潛力。未來,或許可以取代人類駕駛員完成更多任務。只是,在投入商用以前,研發團隊仍要解決 “降低計算要求” 的問題。

  在目前階段,無人機想要以最優的時間完成飛行軌跡,仍需要提前數小時的計算準備工作。此外,在硬件方面研究團隊同樣希望可以改進加強,比如未來計劃搭載高分辨機載相機來替代目前的外部攝像頭。

  斯卡拉穆扎表示,“雖然這次研究成果使無人機技術更進一步,不過人類駕駛員仍要比算法控制的自主無人機穩定,這是因為在面臨突發情況和意外時,人類駕駛員能夠更快地進行調整。” 盡管如此,這位機器工程學的教授相信隨著全球衛星定位系統的不斷成熟,未來多旋翼無人機將滲入更多的應用領域。

  發布日期:2021年7月29日

  來源:DeepTech深科技

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