【科技动向】美国德雷珀实验室公司在美国防高级研究计划局“快速轻量自主”项目中开发不依赖GPS的视觉辅...

2017年8月3日，美国德雷珀实验室公司宣布，该公司在美国防部国防高级研究计划局（DARPA）的“快速轻量自主”（FLA）项目中，发展了不依赖于GPS的视觉辅助导航技术。

 

当救火队员或军队士兵在室内、城区、地下或森林中使用小型无人机时，面临失去GPS信号导致无法使用的风险。为解决该问题业界开展了很多不依赖于GPS导航方案的研究，但这些方案却带来了更多的技术挑战，甚至超出了目前无人机机载技术的能力。例如，当无人机飞到缺少建筑物、树木或其他定向物的环境中时，激光雷达将无法实现高精度的地形匹配。

因此，德雷珀实验室公司和美国麻省理工学院在DARPA的FLA项目中开发了先进的无人机视觉辅助导航技术，其可不依赖GPS、详细的环境地图或者动作捕捉系统等外部支持，使无人机实现在未知环境中的自主感知和机动。研究团队研发和制造了独特的传感器和算法架构，并在室内和室外开展了计时比赛和性能评估。具体而言，德雷珀实验室公司发展了一种创新的状态评估方法（位置、方向和速度），物化的系统命名为“结合惯性状态的平顺和测绘评估”（SAMWISE），其由融合视觉和惯性导航系统组成，结合了两种感知方法的优势，相比于单独使用每种方法在时间维度上误差积累更慢，实现所有飞行轨迹的位置、姿态和速度评估。该系统可以保持所有6个方向上的自由度，允许在不使用GPS或者任何通信设备时自主达到20米／秒的飞行速度。

配装了SAMWISE系统的试验用小型无人机（美国德雷珀实验室公司图片）

德雷珀实验室公司和麻省理工学院已对它们开发的无人机感知和摄像机载荷在各种环境下开展了测试，包括混乱的仓库、开放和有树木的环境等。在复杂环境中飞行速度可达到10米／秒、开放环境达到20米／秒。无人机完成很多具有挑战性的任务，包括躲避树木、建筑物进入和退出、在建筑物外长时间徘徊以找到进入点。上述所有任务都要进行精确的导航评估。

配装了SAMWISE系统的试验用小型无人机能够在飞行中达到45英里／时（72千米／时）的速度（美国德雷珀实验室公司图片）

德雷珀实验室公司高级技术员罗伯特·特鲁瓦克斯（Robert Truax）表示：“无人机最大的挑战是平衡动力、飞行试验和能力。我们的方案十分有价值，因为我们在小尺寸、重量和动力方面取得了最佳平衡，可以在有限的计算功率下自主执行复杂的任务”。该公司另一名高级技术人员泰德·斯坦纳（Ted Steiner）表示：“更快、更敏捷和更自主的无人机意味着可以在迷宫般的室内、楼梯、走廊等环境中进行快速导航。我们的感知和算法架构以及特殊的结合惯性导航装置的单筒摄像机赋予了无人机敏捷的机动能力和升级的可靠性及安全性，这对于在室内开展作业的商业和军方用户来说至关重要。”

德雷珀实验室认为，SAMWISE系统用到了4种主要的能力：定位、导航和授时（PNT）能力；自主系统能力；精确仪器测量能力；图像与数据分析能力（美国德雷珀实验室公司图片）

虽然联合研究团队在FLA项目中是聚焦无人机应用，发展了自主路径规划和机器视觉等技术，但研究成果拥有在地面、水上和水下系统中应用的潜力。德雷珀实验室公司已在2017年3月召开的电子电气工程师学会（IEEE）大会上就此发表一篇论文：《一种用于无地形测绘环境中敏捷高速飞行的视觉辅助惯性导航系统》（A vision-aided inertial navigation system for agile high-speed flight in unmapped environments）。

2017年6月28日，DARPA发布其“快速轻量自主”（FLA）项目的第一阶段成果视频，初步实现不依赖于GPS的无人机室内和树林中自主导航飞行（DARPA视频）