美國德雷珀實(shí)驗室與麻省理工學(xué)院研究團隊為無(wú)人機研發(fā)了一種先進(jìn)的視覺(jué)輔助導航技術(shù)。該技術(shù)不依賴(lài)全球導航衛星系統(GNSS)、環(huán)境地圖以及動(dòng)作捕捉系統等外部設備或設施。

　　背景

　　根據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(xué)院建造了一種無(wú)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(dòng)。該團隊研發(fā)并采取了獨特的傳感器和算法配置，并在室內外開(kāi)展了計時(shí)測試和性能評估。

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

　　雖然已經(jīng)進(jìn)行了一些嘗試，尋求無(wú)人機在沒(méi)有GNSS的情況下也能夠導航的替代方法，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(shù)能力的無(wú)人機而言更是如此。例如，當無(wú)人機在缺少建筑物、樹(shù)木和其他參照物的環(huán)境中飛行時(shí)，掃描激光雷達(LiDAR)通常無(wú)法實(shí)現精確的位置匹配。

　　德雷珀實(shí)驗室高級技術(shù)人員羅伯特·杜亞士表示，對無(wú)人機而言，最大的挑戰是平衡動(dòng)力、飛行時(shí)間及其能力。

　　不依賴(lài)GNSS的新型無(wú)人機

　　研究團隊已經(jīng)找到一個(gè)最佳的小尺寸、重量和功率的平衡點(diǎn)，同時(shí)具備有效的機載計算能力可完全自主地執行復雜的任務(wù)。在研發(fā)新型無(wú)人機時(shí)，該團隊發(fā)揮了德雷珀實(shí)驗室和麻省理工學(xué)院在自主路徑規劃、機器視覺(jué)、GNSS拒止導航和動(dòng)態(tài)飛行控制方面的專(zhuān)長(cháng)。

　　德雷珀和麻省理工研制的裝載傳感器和攝像機的無(wú)人機已經(jīng)在許多環(huán)境中進(jìn)行了試驗，包括雜亂的倉庫和同時(shí)存在開(kāi)闊地及茂密林木的環(huán)境。無(wú)人機在雜亂區域的速度可達10米/秒，開(kāi)闊區域為20米/秒。無(wú)人機的任務(wù)包括：躲避樹(shù)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(shù)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(wú)人機具有靈活機動(dòng)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(huì )(IEEE)舉辦的航空航天會(huì )議上，一篇論文中記錄了德雷珀實(shí)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(wú)人機位置、方向和速度)新方法。它是一種融合的視覺(jué)和慣性導航系統，結合了兩種傳感方式的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)隨時(shí)間累積的誤差比任何技術(shù)都要慢，能對無(wú)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(shí)驗室稱(chēng)，最終成果是獲得一種導航解決方案，使無(wú)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(shí)45英里的無(wú)人機進(jìn)行通信。

　　其他潛在應用

　　研究團隊對FLA項目的關(guān)注重點(diǎn)一直是無(wú)人機，但通過(guò)該項目取得的技術(shù)進(jìn)步可能應用于地面、海洋和水下系統。這在GNSS降級或拒絕環(huán)境中尤其有用。