平穩(wěn)著陸多旋翼無人機(jī)很困難。隨著地面在下降過程中越來越近，每個(gè)轉(zhuǎn)子的氣流從地面反彈，產(chǎn)生復(fù)雜的湍流。這種湍流不是很好理解，也不容易補(bǔ)償，特別是對(duì)于自主無人機(jī)。這就是為什么起飛和降落通常是無人機(jī)飛行中最棘手的部分。無人機(jī)通常會(huì)搖晃并緩慢地朝向著陸，直到最后切斷電源，并且它們將剩余的距離降低到地面。
在 加州理工學(xué)院的自主系統(tǒng)和技術(shù)中心 （CAST），人工智能專家與控制專家合作開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)幫助自主無人機(jī)“學(xué)習(xí)”如何更安全，更快地著陸，同時(shí)減少吞噬量功率。
他們創(chuàng)建的系統(tǒng)被稱為“神經(jīng)著陸器”，它是一種基于學(xué)習(xí)的控制器，可跟蹤無人機(jī)的位置和速度，并相應(yīng)地修改其著陸軌跡和轉(zhuǎn)子速度，以實(shí)現(xiàn)最平穩(wěn)的著陸。
“這個(gè)項(xiàng)目有可能幫助無人機(jī)飛行更加平穩(wěn)和安全，特別是在陣風(fēng)不可預(yù)測的情況下，并且隨著無人機(jī)可以更快地著陸而消耗更少的電池電量，” 航空航天的Bren教授Soon-Jo Chung說 。加州理工學(xué)院為NASA管理的JPL工程與應(yīng)用科學(xué)系（EAS）和研究科學(xué)家。該項(xiàng)目由Chung和Caltech人工智能（AI）專家 Anima Anandkumar，計(jì)算和數(shù)學(xué)科學(xué)Bren教授以及計(jì)算和數(shù)學(xué)科學(xué) 助理教授Yisong Yue合作完成。
5月22日，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）機(jī)器人與自動(dòng)化國際會(huì)議上發(fā)表了一篇描述神經(jīng)著陸器的論文。該論文的共同主要作者是加州理工學(xué)院的研究生姜冠亞，他的博士研究由他們共同監(jiān)督。 Chung和Yue，以及Xichen Shi和Michael O‘Connell，他們是Chung航空機(jī)器人和控制組的博士生。
深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）是受大腦等生物系統(tǒng)啟發(fā)的AI系統(tǒng)。名稱的“深層”部分指的是數(shù)據(jù)輸入通過多個(gè)層進(jìn)行攪拌的事實(shí)，每個(gè)層以不同的方式處理傳入的信息以梳理出越來越復(fù)雜的細(xì)節(jié)。DNN能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)，這使它們非常適合重復(fù)性任務(wù)。
為了確保無人機(jī)在DNN的指導(dǎo)下順利飛行，該團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為光譜歸一化的技術(shù)，該技術(shù)可以平滑神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，因此當(dāng)輸入或條件發(fā)生變化時(shí)，它不會(huì)產(chǎn)生大幅變化的預(yù)測。通過檢查3D空間中理想化軌跡的偏差來測量著陸的改進(jìn)。進(jìn)行了三種類型的測試：直線垂直著陸; 下降弧著陸; 和無人機(jī)在一個(gè)破碎的表面上掠過的飛行 - 例如在桌子邊緣 - 地面湍流的影響會(huì)急劇變化。
新系統(tǒng)將垂直誤差降低100%，允許控制著陸，并將橫向漂移降低多達(dá)90%。在他們的實(shí)驗(yàn)中，新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際著陸，而不是像地面上的10到15厘米那樣被卡住，正如未經(jīng)修改的傳統(tǒng)飛行控制器經(jīng)常那樣。此外，在略讀測試期間，神經(jīng)著陸器產(chǎn)生了更平滑的過渡，因?yàn)闊o人機(jī)從掠過桌子過渡到超出邊緣的自由空間中飛行。
“由于誤差較小，神經(jīng)著陸器能夠更快，更平穩(wěn)地著陸并在地面上平滑滑行，”Yue說。新系統(tǒng)在CAST三層高的機(jī)場進(jìn)行了測試，可以模擬幾乎無限的各種戶外風(fēng)況。 CAST 開放于2018年，占地10，000平方英尺，EAS，JPL和加州理工學(xué)院地質(zhì)和行星科學(xué)部的研究人員正在聯(lián)合創(chuàng)建下一代自治系統(tǒng)，同時(shí)推進(jìn)無人機(jī)研究，自主探測，和生物啟發(fā)系統(tǒng)。
“這種跨學(xué)科的努力帶來了機(jī)器學(xué)習(xí)和控制系統(tǒng)的專家。我們幾乎沒有開始探索這兩個(gè)領(lǐng)域之間的豐富聯(lián)系，“Anandkumar說。
除了明顯的商業(yè)應(yīng)用之外，Chung和他的同事們已經(jīng)為新系統(tǒng)申請(qǐng)了專利 - 新系統(tǒng)對(duì)CAST目前正在開發(fā)的項(xiàng)目至關(guān)重要，包括 可以在難以到達(dá)的地方降落的 自主醫(yī)療運(yùn)輸（如作為一個(gè)堵塞的交通）?！斑\(yùn)送受傷人員時(shí)能夠迅速平穩(wěn)降落的重要性不容小覷，” Morteza Gharib，Hans W. Liepmann航空與生物工程教授教授說道。CAST主任; 和空中救護(hù)項(xiàng)目的主要研究人員之一。