無(wú)人機(jī)，跑起來(lái)

鄭晶敏

因戰(zhàn)爭(zhēng)需要而誕生的無(wú)人機(jī)現(xiàn)在越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)在人們的日常生活中。

與軍用無(wú)人機(jī)相比，民用無(wú)人機(jī)小巧的身軀讓它能應(yīng)對(duì)各種場(chǎng)景。人們用它航拍、送快遞甚至救災(zāi)，但續(xù)航能力一直是無(wú)人機(jī)的短板—相信你也看到過(guò)不少無(wú)人機(jī)在空中因耗盡電量而掉落的消息。

麻省理工學(xué)院計(jì)算科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory，以下簡(jiǎn)稱CSAIL）的科學(xué)家正在想辦法解決這個(gè)問(wèn)題。他們研發(fā)了一款帶輪子的無(wú)人機(jī)，將其命名為Crazyflie。它最大的特點(diǎn)是，有4個(gè)旋翼和2個(gè)輪子，不僅能在天上飛，還能在地面上跑。

Crazyflie的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自鳥(niǎo)類—這并不奇怪，一百多年前人類就通過(guò)模仿鳥(niǎo)類發(fā)明了飛機(jī)，但卻忽略了鳥(niǎo)類的另一個(gè)能力—行走和攀爬。這正是Crazyflie需要彌補(bǔ)的缺陷。

“擅長(zhǎng)一種交通方式的機(jī)器通常不擅長(zhǎng)另一種交通方式，”MIT研究員Adam Conner-Simons對(duì)《第一財(cái)經(jīng)周刊》說(shuō)，“無(wú)人機(jī)快速靈活但續(xù)航時(shí)間短，車輛相對(duì)來(lái)說(shuō)更節(jié)能但速度慢，我們則在嘗試將兩者結(jié)合。”

從外觀上看，Crazyflie與普通無(wú)人機(jī)并無(wú)太大區(qū)別—除了底部多了2個(gè)輪子。事實(shí)上，就像飛行汽車不是“把機(jī)翼裝在汽車上”那么簡(jiǎn)單，要讓無(wú)人機(jī)從飛行模式轉(zhuǎn)換成陸地行駛模式，也不是裝2個(gè)輪子就能搞定的。

相比空中，地面的交通狀況要復(fù)雜得多。在無(wú)人駕駛的情況下，Crazyflie需要適應(yīng)各種地面環(huán)境，規(guī)避障礙物，以及識(shí)別交通是否擁擠—一旦遭遇堵車，Crazyflie就能立即起飛以節(jié)約時(shí)間。所以，信息處理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為此CSAIL團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，幫助Crazyflie在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間規(guī)劃最佳路徑。

現(xiàn)在的Crazyflie已經(jīng)是2.0版本。初代Crazyflie使用的路徑規(guī)劃算法基于CSAIL于2016年研發(fā)的“分散化控制算法”。這種算法最初應(yīng)用于機(jī)器人編隊(duì)。以往采用的“中央控制算法”雖然操作簡(jiǎn)單且效率更高，但只要一個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)故障就會(huì)影響全局。分散化控制算法則將決策權(quán)分散給編隊(duì)中的每一架無(wú)人機(jī)，一定程度上避免了相互干擾。

除了讓無(wú)人機(jī)從“執(zhí)行者”變?yōu)椤皼Q策者”，分散化控制算法最大的優(yōu)勢(shì)是同一編隊(duì)的無(wú)人機(jī)之間還可以互相溝通。此前，每一架無(wú)人機(jī)都只能感知自己周圍環(huán)境的信息，使用分散化控制算法的通信系統(tǒng)卻能讓它們互相傳遞信息，以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)有序運(yùn)行。

也正因?yàn)槿绱?，CSAIL的研究員將Crazyflie稱為機(jī)器人（Robert），而不僅僅是無(wú)人機(jī)。不過(guò)需要注意的是，目前，這些“機(jī)器人”還只能與其附近的同伴分享信息，而不是任意2個(gè)“機(jī)器人”都能相互溝通。這樣做是為了減少信息冗余，避免過(guò)多的信息對(duì)無(wú)人機(jī)的決策造成干擾。

無(wú)人機(jī)感知到的信息之間會(huì)以3D地圖的形式互相傳遞，但信息傳遞過(guò)程中有時(shí)間差，如果遇到突發(fā)狀況，無(wú)人機(jī)很有可能來(lái)不及更換路線。為了避免這種狀況，研發(fā)人員在該算法中加入了時(shí)間維度—根據(jù)移動(dòng)障礙物的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)軌跡，并及時(shí)更新自身運(yùn)動(dòng)路線。

這在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域是一個(gè)突破。畢竟無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)面臨的不確定因素太多了。尤其是無(wú)人機(jī)編隊(duì)，不僅要避免障礙物，還要防止無(wú)人機(jī)相撞。而陸空兩用無(wú)人機(jī)對(duì)分散化控制算法的精度提出了更高要求。

為了確保算法在實(shí)際操作中可行，CSAIL做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。研究人員搭建了一個(gè)模擬城市交通系統(tǒng)的沙盤模型，按比例規(guī)劃了街道、綠地、建筑、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所。共有8輛無(wú)人機(jī)參與實(shí)驗(yàn)，分散控制算法事先為它們規(guī)劃好了路線。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在交通狀況良好的陸地上選擇的是行駛模式，當(dāng)碰到建筑或者其他障礙物時(shí)會(huì)切換成飛行模式。最讓研究者興奮的是，8輛無(wú)人機(jī)很好地完成了信息交互。

陸空無(wú)人機(jī)不僅操作更加靈活，其電池的使用壽命和效率也比純飛行功能的無(wú)人機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。Adam Conner-Simons告訴《第一財(cái)經(jīng)周刊》，“Crazyflie電池的續(xù)航時(shí)間是普通無(wú)人機(jī)的8.4倍，相比初代Crazyflie，其續(xù)航能力又提升了7.4倍?！?/p>

人類對(duì)海陸空多用交通工具的追求似乎從沒(méi)停止過(guò)，比如汽車制造商一直癡迷于制造飛行汽車。今年4月，Uber曾公開(kāi)表示計(jì)劃在2020年之前實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛飛行汽車項(xiàng)目。此外，空客以及硅谷的一家初創(chuàng)公司Kitty Hawk等也在研發(fā)空中飛行汽車。飛行車這種常出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中的交通工具，直觀來(lái)看能夠減輕地面交通負(fù)擔(dān)、提高出行效率，但實(shí)行起來(lái)難度不小。

CSAIL提供了一種新的解決方案—比起將身軀龐大的汽車送上天，讓小巧的無(wú)人機(jī)落地或許更加簡(jiǎn)單。

Crazyflie描繪了一幅未來(lái)交通藍(lán)圖—無(wú)人駕駛交通工具同時(shí)出現(xiàn)在陸地和空中，當(dāng)?shù)孛娼煌〒頂D時(shí)，他們能自由切換行進(jìn)方式并規(guī)劃路線?！癈razyflie未來(lái)將參與到智能城市交通和無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的研究?！盇dam Conner-Simons說(shuō)。

此外，陸空兩用無(wú)人機(jī)在商業(yè)應(yīng)用方面也能發(fā)揮更大價(jià)值。目前無(wú)人機(jī)應(yīng)用較多的領(lǐng)域是航拍和無(wú)人機(jī)快遞。Google地圖和百度地圖的街景都需要航拍，至于送快遞，亞馬遜和順豐等公司也已經(jīng)開(kāi)始嘗試。Crazyflie的續(xù)航能力使其大大提高了工作效率—減少了因電量不足而耗費(fèi)的時(shí)間成本，工作范圍也得到拓 寬。

此外，陸空無(wú)人機(jī)在參與搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)也比純飛行功能的無(wú)人機(jī)更能發(fā)揮作用。“它可以進(jìn)入建筑區(qū)者偏僻道路附近的災(zāi)難區(qū)，也能通過(guò)地面上的狹小空間，及時(shí)運(yùn)送物品或發(fā)現(xiàn)被困人員。”Adam ConnerSimons 說(shuō)。

雖然陸空無(wú)人機(jī)的商業(yè)前景有非常多的可能性，但Adam Conner-Simons透露，目前Crazyflie還處于雛形階段，離真正上路還有一段時(shí)間。況且無(wú)人駕駛技術(shù)還要面臨嚴(yán)格的監(jiān)管措施?！癈razyflie已經(jīng)在平坦的道路上通過(guò)測(cè)試，下一步我們要讓它適應(yīng)崎嶇的地形?！?