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無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航和避障模型

發(fā)布日期:2020-08-27我要投稿我要評(píng)論
無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航和避障模型

研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)視頻的屏幕截圖。圖片來(lái)源:Lindqvist等。
 
自主無(wú)人飛行器(UAV)在廣泛的應(yīng)用中顯示出巨大潛力,包括自動(dòng)包裹遞送和大范圍地理區(qū)域的監(jiān)視。但是,為了在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中完成任務(wù),無(wú)人機(jī)需要能夠有效導(dǎo)航并規(guī)避周?chē)h(huán)境出現(xiàn)障礙。

瑞典呂勒奧工業(yè)大學(xué)和加利福尼亞理工學(xué)院的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種基于非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)的計(jì)算技術(shù),該技術(shù)可以為無(wú)人機(jī)提供更好的導(dǎo)航和避障能力。他們使用的NMPC方法發(fā)表在IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)上的一篇論文中,該方法基于OpEn(優(yōu)化引擎)的結(jié)構(gòu),OpEn(優(yōu)化引擎)是貝爾法斯特女王大學(xué)Pantelis Sopasakis博士開(kāi)發(fā)的參數(shù)優(yōu)化軟件。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一比約恩·林德奎斯特(BjörnLindqvist)對(duì)TechXplore表示:“我們的團(tuán)隊(duì)先前發(fā)表了幾篇有關(guān)無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障和導(dǎo)航的作品。” “在我們最近的研究中,我們開(kāi)始使用NMPC擴(kuò)展避障的概念,以包括對(duì)移動(dòng)或動(dòng)態(tài)障礙的直接考慮。我們的目標(biāo)是提供技術(shù)演示,說(shuō)明現(xiàn)代智能控制結(jié)構(gòu)如何使無(wú)人飛行器成為例如在城市環(huán)境中經(jīng)常使用的環(huán)境中,周?chē)h(huán)境總是在移動(dòng),并且避免碰撞對(duì)于確保人員和其他車(chē)輛的安全非常重要。”

1-amodelforaut
 
圖片來(lái)源:Lindqvist等。
 
NMPC是基于優(yōu)化的方案,可用于解決各種現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。該方案可以基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及在給定時(shí)間作用于系統(tǒng)的一系列控制輸入,對(duì)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

其預(yù)測(cè)涵蓋了多個(gè)未來(lái)時(shí)間步長(zhǎng),這些時(shí)間步長(zhǎng)合起來(lái)稱(chēng)為“預(yù)測(cè)范圍”。隨后,該方案以允許系統(tǒng)最有效地完成一組所需目標(biāo)的方式(例如參考跟蹤)計(jì)算控制輸入。 ,避免障礙,保持約束等)。

Lindqvist及其同事在論文中表明,基于NMPC的模型可以在不斷變化的環(huán)境(例如城市)中為無(wú)人機(jī)提供先進(jìn)的自主導(dǎo)航和避障功能。更具體地說(shuō),他們使用NMPC算法來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)周?chē)h(huán)境中的障礙物軌跡,同時(shí)還使用分類(lèi)模型來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型的軌跡并預(yù)測(cè)障礙物的未來(lái)位置。
 
Lindqvist說(shuō):“由于NMPC通過(guò)預(yù)測(cè)和優(yōu)化未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行工作,因此我們也可以根據(jù)一些測(cè)量結(jié)果,通過(guò)預(yù)測(cè)移動(dòng)/動(dòng)態(tài)障礙物的未來(lái)位置來(lái)納入對(duì)移動(dòng)/動(dòng)態(tài)障礙物的直接考慮。” “這種方法提供了一種優(yōu)雅的解決方案,將控制,局部路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障功能集成在一個(gè)控制層中。”
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圖片來(lái)源:Lindqvist等。

研究人員在許多實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中評(píng)估了他們的NMPC方案。值得注意的是,他們的模型可以在無(wú)人機(jī)被多個(gè)移動(dòng)障礙物包圍的各種情況下防止碰撞。

Lindqvist說(shuō):“在呂勒奧工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人與AI團(tuán)隊(duì)中,我們非常重視理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。” “在我們最近的工作中,我們展示了NMPC架構(gòu)如何即使在非??焖僖苿?dòng)的障礙物的情況下也能提供無(wú)碰撞的軌跡,而又不違反規(guī)定的安全距離。我相信,這種避免障礙物是在城市環(huán)境中使用無(wú)人機(jī)的有趣途徑或與人類(lèi)緊密互動(dòng)。”
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圖片來(lái)源:Lindqvist等。

該研究強(qiáng)調(diào)了NMPC優(yōu)化方案在增強(qiáng)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航能力方面的巨大潛力。Lindqvist和他的同事們收集的發(fā)現(xiàn)也可以啟發(fā)其他研究團(tuán)隊(duì)將類(lèi)似的優(yōu)化技術(shù)用于機(jī)器人控制和路徑規(guī)劃。最終,這將有助于無(wú)人機(jī)和其他可在擁擠而動(dòng)態(tài)的環(huán)境中安全移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。
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LTU機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為地下應(yīng)用開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)之一。信用:LTU。
 
Lindqvist補(bǔ)充說(shuō):“作為CoSTAR小組 DARPA地下挑戰(zhàn)賽的一部分,我相信在接下來(lái)的一年左右的時(shí)間里,我們將投入大量精力來(lái)探索無(wú)人機(jī)的地下勘探和路徑規(guī)劃這一主題。” “對(duì)于本文展示的動(dòng)態(tài)避障,我們計(jì)劃進(jìn)行未來(lái)的研究,旨在集成車(chē)載深度攝像頭(或類(lèi)似設(shè)備)來(lái)跟蹤障礙,以及改進(jìn)和推廣我們的障礙預(yù)測(cè)方法。”
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