最新算法无人机首次战胜人类专家驾驶员

近几年，无人机越来越多地走进人们的视线。无论是民用领域还是军用领域甚至火星勘测，无人机都已普及各行各业之中。尤其在面对抢险救灾时，与传统救援相比，无人机更有无法取代的优势。

不久前，千年一遇的河南水灾让全国14亿人民紧张不已。幸运的是，国家第一时间动员全国的救援力量前往河南支援。这一次的救援，不仅展现了全国人民团结一心的精神，还展现了中国科技的力量。

其中，实力最强的莫过于首次亮相的翼龙2H无人机，这也让大众对于无人机的关注再一次提升。由于突如其来的暴雨和洪水，当地通讯中断超过了12个小时，受灾群众失去与外界的联系。当晚，这架无人机紧急从贵州安顺机场起飞，赶路4.5个小时后，抵达河南米河镇通信中断区，又持续为居民提供了5小时稳定信号，续航妥妥的。

据人民网消息，截至昨晚23时20分，中国移动基站累计接通用户3572个，产生流量2089.89M，单次最大接入用户648个，依旧保持通信稳定。

如此硬核的技术，让不少网友激动了，骄傲、自豪感溢出屏幕。事实上，国外厂商也尝试过研发类似的项目，只是失败了。

国外互联网巨头Facebook为了推行全球联网计划，曾经于2016年设计过一个名为Aquila的无人机，旨在成为高空中提供无线网络的“空中基站”。第一次试飞降落时，Aquila就因结构失灵的问题而坠毁。后续虽然降落成功，但Facebook已经于2018年放弃了Aquila“无人机4G基站”项目。

Google在2014年也收购了一家名为“Titan Aerospace”的初创公司，其核心项目是利用高空无人机向地球上偏僻地区提供上网接入服务，利用太阳能作为动力在高空保持长期飞行。但目前，Google也早已放弃这一项目，给出的原因是项目遇到了“技术障碍”。

近日，苏黎世大学机器人工程学博士生菲利普・焚风与其团队在四旋翼自主飞行器（配置四个螺旋桨的无人机）上开发出一种新的计算方法。这种飞行算法可以让无人机自主采取最佳飞行轨迹，并能根据不同障碍物进行提速和减速。

图｜一架无人机在烟雾中飞行，以可视化复杂的空气动力学效果

无人机受续航力限制，因此，需要在有限的时间内尽可能完成灾区搜救、环境巡查、货物运送等任务。在执行任务中，它们的航行轨迹也许会穿越如废墟、森林、甚至窗户等特定位置。所以，如何正确和快速地通过障碍找出最佳航行轨迹，是无人机执行任务中的重点。

另据悉，相关论文近日以《四旋翼航路点飞行时间优化规划》（Time-Optimal Planning for Quadrotor Waypoint Flight）为题发表在 Science Robotics。

论文第一作者焚风表示：“与以往描述飞行轨迹不同，这种算法的核心来自于机载摄像机和传感器的输入，无人机可以将获取到的信息直接转换为控制命令，这与人工神经网络相似。不仅可以参考飞行轨迹对应进行模拟机动，还可以通过训练扩展各种不同的动作。”

图｜新算法的动态示意图

研究的过程中，该团队通过模拟飞行杂技动作来提升无人机的速度和灵活性，这种机动能力可能使无人机达到物理极限。并且在无人机电池续航里程内，更快的速度和更高的敏捷性将更有利于搜索和救援任务。

苏黎世大学机器人工程学教授大卫・斯卡拉穆扎（Davide Scaramuzza）对此表示：“即便是最好的人类无人机驾驶员，想要完成飞行杂技动作也是一种挑战。”

长期以来，人类无人机驾驶员一直优于自主飞行系统。而在最近一次的无人机竞赛中，研究团队找到两名专家级无人机驾驶员，并使用同样的四旋翼飞行器进行比赛。为了保证公平竞赛，人类驾驶员在赛道进行了提前训练，但最终还是输给了新研发的算法控制。

图｜算法控制（蓝色）与两名人类驾驶员的飞行轨迹

据了解，在竞赛胜出的无人机设备重量约 0.8 公斤，推重比（thrust-to-weight ration）接近 4，身上配备有 Jetson TX2、莱尔德通信模块和用于捕捉活动的红外线标记器等。此外，研发团队还通过互补约束（complementary constraint）技术优化通过的航点轨迹。

图｜该团队的自主飞行四旋翼飞行器

研究团队还分别在 3.3 和 3.15 的推重比下进行实验。结果，最新算法依旧比人类驾驶员取得更优的单圈成绩。该团队介绍：“这种最新算法在速度和稳定性上都要更胜一筹。其实这并不奇怪，我们通过外部摄像头一直在观察无人机的运动模式，并且还给无人机提供所处位置的实时信息，只要算法找到了最优飞行轨迹，它就可以稳定、快速地无限重复。在这一点，人类很难实现。”

除了比赛，研究团队为测试其算法的稳定性和有效性，对无人机做了大量机动飞行测试，包括动力循环、自主穿越飞行和各类花式翻滚等。在测试中过无人机承受着极端的角加速度和推力，即便如此，记载传感器机身依旧没有任何物理损伤。

图｜竞赛的飞行轨迹，两名人类专家级驾驶的无人机（上），最新算法控制的自主无人机（下）

这种最新算法无论在军事、民用、商界都有巨大的应用潜力。未来，或许可以取代人类驾驶员完成更多任务。只是，在投入商用以前，研发团队仍要解决 “降低计算要求” 的问题。

在目前阶段，无人机想要以最优的时间完成飞行轨迹，仍需要提前数小时的计算准备工作。此外，在硬件方面研究团队同样希望可以改进加强，比如未来计划搭载高分辨机载相机来替代目前的外部摄像头。

斯卡拉穆扎表示，“虽然这次研究成果使无人机技术更进一步，不过人类驾驶员仍要比算法控制的自主无人机稳定，这是因为在面临突发情况和意外时，人类驾驶员能够更快地进行调整。” 尽管如此，这位机器工程学的教授相信随着全球卫星定位系统的不断成熟，未来多旋翼无人机将渗入更多的应用领域。

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文章参考：

New algorithm flies drones faster than human racing pilots | techxplore

最新算法无人机首次战胜人类专家驾驶员，机动能力可挑战物理极限| DeepTech深科技

翼龙无人机支援河南，为什么比国家队还快？| 胖虎观察员

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