當多架無人機在同一個空域協同工作時，比如在玉米田上噴灑殺蟲劑，它們就有可能相互碰撞。為了幫助避免這些代價高昂的事故，麻省理工學院的研究人員在2020年推出了一個名為MADER的系統。這種智能軌跡規劃器使一組無人機能夠制定最佳的、無碰撞的軌跡。每個代理廣播其軌跡，以便其他無人機知道它計劃去哪里。然后，代理在優化自己的軌跡時會考慮彼此的軌跡，以確保它們不會發生碰撞。

但是當團隊在真實無人機上測試該系統時，他們發現如果無人機沒有關于其伙伴軌跡的最新信息，它可能會無意中選擇一條導致碰撞的路徑。研究人員改進了他們的系統，現在正在推出Robust MADER，這是一種多智能體軌跡規劃器，即使在智能體之間的通信延遲時也能生成無碰撞軌跡。

航空航天研究生Kota Kondo說：“MADER在模擬方面做得很好，但它還沒有在硬件上進行測試。所以，我們建造了一堆無人機，并開始飛行。無人機需要相互交談才能共享軌跡，但一旦你開始飛行，你很快就會意識到，總是會出現通信延遲，從而導致一些故障。”

該算法包括一個延遲檢查步驟，在該步驟中，無人機會等待一段特定的時間，然后才能執行新的優化軌跡。如果它在延遲期內從其他無人機那里收到額外的軌跡信息，它可能會放棄新的軌跡，重新開始優化過程。

當Kondo和他的合作者在真實無人機的模擬和飛行實驗中測試Robust MADER時，它在生成無碰撞軌跡方面取得了100%的成功率。雖然無人機的飛行時間比其他一些方法慢一點，但沒有其他基線可以保證安全。

“如果你想飛得更安全，你就得小心，所以如果你不想撞到障礙物，你就會花更多的時間到達目的地，這是合理的。如果你撞到什么東西，無論你走得多快，都沒有關系，因為你不會到達目的地”，Kondo說。

規劃軌跡

MADER是一種異步、去中心化、多智能體的軌跡規劃器。這意味著每架無人機都會制定自己的軌跡，盡管所有特工都必須就每一條新的軌跡達成一致，但他們不需要同時達成一致。這使得MADER比其他方法更具可擴展性，因為數千架無人機很難同時就軌跡達成一致。由于其去中心化的特性，該系統在無人機可能飛離中央計算機很遠的現實環境中也能更好地工作。 ?

借助MADER，每架無人機都使用一種算法優化新軌跡，該算法結合了從其他代理那里收到的軌跡。通過不斷優化和廣播它們的新軌跡，無人機避免了碰撞。 ? 但也許一個無人機在幾秒鐘前分享了它的新軌跡，但由于通信延遲，另一個代理人沒有立即收到它。在現實環境中，信號通常會因其他設備的干擾或暴風雨天氣等環境因素而延遲。由于這種不可避免的延遲，無人機可能會無意中走上一條新的軌跡，從而使其進入碰撞過程。

? Robust MADER可以防止此類碰撞，因為每個代理都有兩個可用軌跡。它保留一條它知道是安全的軌跡，并且已經檢查了潛在的碰撞。在遵循原始軌跡的同時，無人機優化了一條新軌跡，但在完成延遲檢查步驟之前不會提交新軌跡。 ? 在延遲檢查期間，無人機會花費固定的時間反復檢查來自其他代理的通信，以查看其新軌跡是否安全。如果它檢測到潛在的碰撞，它會放棄新的軌跡并重新開始優化過程。 ? Kondo，延遲檢查期的長短取決于代理之間的距離和可能阻礙通信的環境因素。例如，如果代理相距很遠，則延遲檢查時間就需要更長。

完全無碰撞

研究人員通過運行數百次模擬來測試他們的新方法，在這些模擬中他們人為地引入了通信延遲。在每次模擬中，Robust MADER都100%成功地生成了無碰撞軌跡，而所有基線都導致了碰撞。 ? 研究人員還建造了六架無人機和兩個空中障礙物，并在多代理飛行環境中測試了 Robust MADER。他們發現，雖然在此環境中使用原始版本的MADER會導致七次碰撞，但Robust MADER在任何硬件實驗中都沒有發生碰撞。 ?

Kondo說：“在你真正駕駛硬件之前，你不知道是什么導致了問題。因為我們知道模擬和硬件之間有區別，所以我們使算法變得強大，因此它在實際的無人機中運行，并且實踐中看到這一點是非常有意義的”。 ? 使用 Robust MADER，無人機能夠以3.4米/s的速度飛行，盡管它們的平均飛行時間比某些基線略長。但沒有其他方法在每個實驗中都能完全避免碰撞。 ?

未來，Kondo和他的合作者希望在戶外對Robust MADER進行測試，因為許多障礙和類型的噪音都會影響通信。他們還想為無人機配備視覺傳感器，以便它們能夠檢測其他代理人或障礙物，預測它們的移動，并將該信息包含在軌跡優化中。這項工作得到了波音研究與技術公司的支持。 ?

編輯：黃飛

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