麻省理工學院新研究讓無人機實現更優軌跡規劃

在地震等災難發生后，無人機（UAV）可以飛入倒塌建筑物中進行場景測繪，為救援人員提供關鍵信息，幫助他們迅速找到幸存者。然而，這對自主機器人來說依然是極具挑戰性的任務——它不僅需要在毫秒級時間內規避突發障礙，還要保持既定航線。

來自麻省理工學院（MIT）和賓夕法尼亞大學的研究人員共同開發了一套全新的軌跡規劃系統，能夠同時應對上述兩大難題。該系統可讓無人機在毫秒內對障礙物作出反應，同時保持平滑飛行路徑，將飛行時間壓縮至最短。

這套系統采用了一種新的數學建模方式，確保機器人能沿著可行路徑安全抵達目的地，且計算量明顯低于現有技術，從而比目前最先進的方法更快地生成更平滑的軌跡。此外，該軌跡規劃系統的運算效率足以支持實時飛行，且僅依賴機器人自身搭載的計算機和傳感器，無需外部支持。

這套名為MIGHTY的開源系統無需依賴動輒數十萬美元的商業軟件包，能夠更便捷地部署于各類現實場景中。除搜救任務外，MIGHTY還可應用于城市末端配送（無人機需規避建筑、電線和行人）以及風力渦輪機等復雜結構的工業巡檢等領域。

"MIGHTY僅憑開源工具便實現了與商業方案相當甚至更優的性能，這意味著全球任何研究人員、學生或企業都可以免費使用它。通過消除成本壁壘，MIGHTY有助于推動高性能軌跡規劃的普及，并為更廣泛的社區在此基礎上繼續創新打開大門。"論文第一作者、麻省理工學院航空航天學院研究生近藤浩太（Kota Kondo）表示。

論文合著者還包括賓夕法尼亞大學研究生吳宇威（Yuwei Wu）、賓大教授Vijay Kumar，以及通訊作者Jonathan P. How——麻省理工學院航空航天學院福特講席教授，同時也是信息與決策系統實驗室（LIDS）和航空航天控制實驗室（ACL）的首席研究員。該研究發表于《IEEE機器人與自動化快報》。

突破性能權衡的難題

近藤浩太童年時經歷了東日本大地震引發的福島第一核電站事故。學校停課期間，他每天守在電視機前，關注工作人員進入反應堆現場的新聞報道。部分工人不得不深入高危區域處置險情，因此暴露在大量輻射之下。

"我由此產生了一個志向——研發能夠進入這類動態危險環境執行任務、再安全返回并向留守安全區域的人類匯報情況的自主機器人。"近藤說。

要實現這一目標，離不開強大的軌跡規劃軟件——它負責規劃機器人從A點到B點的安全路徑。然而，現有的許多系統在性能上存在難以回避的權衡取舍：商業系統雖能快速生成平滑軌跡，但價格高昂；開源替代方案則往往性能不足，或使用門檻較高。

MIGHTY的核心方法

MIGHTY的核心在于采用了一種稱為"Hermite樣條"的數學技術，將飛行時間與飛行路徑的優化合并為單一步驟，從而生成可精確控制的平滑軌跡——而非像傳統方法那樣先固定飛行時間估算，再單獨優化路徑。

"將空間分量與時間分量一起優化能帶來更好的結果，但這也使優化問題的規模大幅擴大，在有限時間內求解的難度隨之上升。"近藤說。

為解決這一計算負擔，研究團隊采用了一種巧妙策略：MIGHTY并不每次從零開始生成軌跡，而是先給出一個初始軌跡猜測，再利用無人機激光雷達傳感器生成的場景地圖，通過迭代優化對軌跡進行逐步精化。

"給出一個合理的初始猜測比從零開始構建整條軌跡要快得多。"近藤表示。

這使得MIGHTY能夠實時響應未知障礙，同時保持軌跡平滑并最小化飛行時間。系統完全依賴無人機自身的板載組件運行，這對于機器人可能遠離基站的應用場景尤為重要。

在仿真實驗中，MIGHTY僅需最先進方法約90%的計算時間，抵達目的地的速度卻比這些方法快約15%，且全程安全無碰撞。在真實機器人測試中，系統在成功規避所有障礙的同時，飛行速度達到了6.7米/秒。

"MIGHTY將一切集成在一個整體中，無需與任何外部軟件通信即可求解，這使其速度甚至超越了部分商業求解器。"近藤說。

未來，研究團隊計劃進一步完善MIGHTY，使其支持多機器人協同控制，并在更復雜的環境中開展更多飛行實驗，同時根據用戶反饋持續迭代改進這一開源系統。

蘇黎世大學機器人與感知研究組主任Davide Scaramuzza教授（未參與本研究）對此評價道："MIGHTY通過重新審視軌跡表示本身，為敏捷機器人導航作出了重要貢獻。Hermite樣條此前已在視覺同步定位與建圖中得到成功應用，如今看到其優勢在移動機器人軌跡規劃中得到進一步發揮令人欣喜。通過支持路徑幾何、時間、速度與加速度的聯合優化，同時保留軌跡的局部控制能力，MIGHTY賦予了機器人在復雜環境中計算快速、動態可行運動的更大自由度。"

本研究得到美國陸軍研究實驗室和新加坡國防科學技術局的部分資助。

Q&A

Q1：MIGHTY系統是什么？它能解決無人機飛行中的哪些問題？

A：MIGHTY是由麻省理工學院與賓夕法尼亞大學聯合研發的開源無人機軌跡規劃系統。它能同時優化飛行路徑和飛行時間，讓無人機在毫秒級時間內對突發障礙作出反應，同時保持平滑飛行軌跡。系統僅依賴無人機自身搭載的計算機和傳感器運行，無需昂貴的商業軟件，非常適合搜救、城市配送和工業巡檢等實際應用場景。

Q2：MIGHTY和現有軌跡規劃方法相比，性能提升有多大？

A：在仿真實驗中，MIGHTY僅需當前最先進方法約90%的計算時間，到達目的地的速度卻快約15%。在真實機器人測試中，無人機飛行速度達到6.7米/秒，且成功規避了所有障礙。此外，由于MIGHTY將所有功能集成在一個模塊中，無需與外部軟件通信，速度甚至在某些情況下超越了商業求解器。

Q3：MIGHTY采用了什么核心技術讓軌跡規劃更高效？

A：MIGHTY的核心技術是"Hermite樣條"數學方法，將飛行路徑和飛行時間的優化合并為單一步驟同步完成，避免了傳統方法先固定時間再規劃路徑的局限。同時，系統不從零開始生成軌跡，而是先給出初始猜測，再利用激光雷達生成的場景地圖進行迭代優化，大幅降低了計算負擔，實現了實時響應。