麻省理工學院的研究人員開發了一種軌跡規劃模型，該模型可以幫助無人機更安全地高速穿越先前未開發的區域，從而有助于在茂密的森林中進行搜索和救援任務。

無人駕駛飛機在未知領域航行時非常謹慎。它們向前爬行，在前進之前經常繪制不熟悉的區域，以免撞到未被發現的物體。但這種減速對于執行時間敏感任務的無人機來說并不理想，比如在茂密的森林中執行搜索和救援任務。現在麻省理工學院的研究人員已經開發出一種軌跡規劃模型，可以幫助無人機在安全的前提下高速飛行，穿越以前未探測的區域。

這個模型被恰當地命名為“FASTER”——它估計了從一個起點到目的地的最快路徑，跨越無人駕駛飛機可以看到和看不到的所有區域，而不考慮安全性。但是，當無人機飛行時，該模型不斷記錄與快速飛行路徑略有偏離的無碰撞“備份”路徑。當無人機不確定某個特定區域時，它會沿著備用路徑繞行，并重新確定路徑。因此，無人機可以沿著最快的軌跡高速巡航，同時偶爾稍微減速以確保安全。

“我們總是想走最快的路，但我們并不總是知道這條路是安全的。如果，當我們沿著這條最快的道路前進時，我們發現有問題，我們需要有一個備用計劃，”航空航天系（Aeroastro）的研究生、描述下個月智能機器人和系統國際會議上提出的模型的論文第一作者Jesus Tordesillas說。“我們得到了一個可能不安全的高速軌道和一個完全安全的低速軌道。這兩條路一開始是縫合在一起的，但后來一條因性能而偏離，另一條則因安全而偏離。”

在森林模擬中，虛擬無人機在代表樹木的圓柱體周圍導航，動力更快的無人機安全地完成飛行路徑，大約比傳統模型快兩倍。在現實生活中的測試中，在一個大房間里繞著紙板箱飛行的速度更快的無人機達到了每秒7.8米的速度。研究人員說，這將根據重量和反應時間限制無人機的飛行速度。

合著者、航空航天學教授理查德科伯恩麥克勞林（Richard Cockburn Maclaurin）說：“這是你能走的最快的速度。”如果你站在一個房間里，一架無人機以每秒7至8米的速度飛行，你可能會后退一步。”該論文的另一位合著者是brett t.lopez，他以前是Aerostro的博士生，現在是nasa噴氣推進實驗室的博士后。

分割路徑

無人機使用攝像機捕捉環境，如體素，由深度信息生成的三維立方體。當無人機飛行時，每一個檢測到的體素被標記為“自由已知空間”，沒有被物體占據，以及“占用已知空間”，其中包含物體。環境的其余部分是“未知空間”。

Faster利用所有這些區域來規劃三種類型的軌跡——“whole，” “safe，” and “committed.”。整個軌跡是從起點a到目標位置b，通過已知和未知區域的整個路徑。為此，“凸分解”是一種將復雜模型分解為離散組件的技術，它生成重疊多面體，對環境中的這三個區域進行建模。利用一些幾何技術和數學約束，該模型利用這些多面體計算出一個最優的整體軌跡。

同時，模型規劃了一個安全的軌跡。在整個飛行軌跡的某個地方，它繪制了一個“營救”點，根據它的速度和其他因素，指示無人機最后一刻可以繞道進入無障礙的已知自由空間。為了找到一個安全的目的地，它計算覆蓋自由已知空間的新多面體。然后，它在這些新多面體中定位一個點。基本上，無人機停在一個安全但盡可能靠近未知空間的地方，實現非常快速和高效的繞行。

承諾軌跡

承諾軌跡由整個軌跡的第一個區間以及整個安全軌跡組成。但第一個間隔與安全軌跡無關，因此不受安全軌跡所需制動的影響。

無人機一次計算一個完整的軌跡，同時始終跟蹤安全軌跡。但它有一個時間限制：當它到達救援點時，它必須已經成功地計算出下一個通過已知或未知空間的完整軌跡。如果是這樣，它將繼續沿著整個軌道運行。否則，它會轉向安全軌道。這種方法使無人機能夠沿著預定的軌跡保持高速，這是實現高總體速度的關鍵。

為了完成這項工作，研究人員設計了無人機快速處理所有規劃數據的方法，這是一項挑戰。因為地圖是如此的多變，例如，給每一個承諾的軌跡的時間限制最初都有很大的變化。這在計算上是昂貴的，并且減緩了無人機的計劃，因此研究人員開發了一種方法，可以快速計算沿軌跡的所有間隔的固定時間，從而簡化了計算。研究人員還設計了一些方法來減少無人機繪制周圍環境所需處理的多面體數量。這兩種方法都大大增加了計劃時間。

“如何提高飛行速度和維護安全是無人機運動規劃中最困難的問題之一，”Waymo的軟件工程師、原谷歌自動駕駛汽車項目、軌跡規劃算法專家Sikang Liu說。這項工作顯示了一個很好的解決這個問題的方法，通過改進現有的軌跡生成框架。在軌跡優化過程中，時間分配一直是一個棘手的問題，它會導致收斂問題和不期望的行為。本文通過一種新穎的方法來解決這一問題……這可能是對這一領域的一個有見地的貢獻。”

研究人員目前正在制造更大的、速度更快的無人機，這種無人機的螺旋槳設計可以實現穩定的水平飛行。傳統上，無人機在飛行時需要滾動和俯仰。但這種定制的無人機在各種應用中都會保持完全平坦。

在美國國防部的支持下開發的一個潛在的快速應用程序可能是改進森林環境中的搜索和救援任務，這給自主無人機帶來了許多規劃和導航方面的挑戰。”但是未知的區域不一定是森林。它可能是你不知道會發生什么的任何領域，而你獲得這些知識的速度有多快也很重要。主要動機是制造更靈活的無人機。”