“快速輕量自主”（FLA）項(xiàng)目于2015年啟動(dòng)，致力于發(fā)展全新算法，使小型無人機(jī)僅憑所搭載的高分辨攝像機(jī)、激光雷達(dá)、聲吶或慣性測(cè)量單元，便可在房間等設(shè)障環(huán)境中自主導(dǎo)航飛行、搜集態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目在2016年利用商用四旋翼無人機(jī)在設(shè)置障礙物的機(jī)庫內(nèi)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，達(dá)到了20米/秒的飛行速度指標(biāo)。未來，項(xiàng)目將繼續(xù)優(yōu)化避障算法，擴(kuò)展感知范圍，以更好進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎等快速機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

  Fast Lightweight Autonomy項(xiàng)目背景

  DARPAFLA項(xiàng)目推動(dòng)發(fā)展的技術(shù)，能夠讓小型四旋翼無人機(jī)通過機(jī)載相機(jī)、傳感器以及智能的自主導(dǎo)航算法，以20米/秒的速度（約合72千米/時(shí)）穿過雜亂的建筑物和存在障礙的環(huán)境。

  該技術(shù)的潛在應(yīng)用包括：在軍事人員進(jìn)入建筑物前對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行快速的掃描，在從空中的視線會(huì)被樹冠遮擋的森林密布區(qū)或叢林中尋找被擊落的飛行員，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生后進(jìn)入受損建筑物尋找幸存者等。

  FLA的目標(biāo)是開發(fā)一種先進(jìn)的算法，使無人機(jī)或無人車輛能夠在沒有人類操作員、GPS或任何數(shù)據(jù)鏈的引導(dǎo)下自主運(yùn)行。這樣無人機(jī)就能夠在室內(nèi)、地下或人為干擾等無法使用GPS的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。

  該計(jì)劃側(cè)重于自主性，而不是在飛行平臺(tái)上，其中“自主”包括感知，感知，規(guī)劃和控制。

  DARPA正在使用商業(yè)四轉(zhuǎn)臺(tái)平臺(tái)上的定制有效載荷，開發(fā)和演示自主飛行能力。FLA計(jì)劃的初始重點(diǎn)是無人機(jī)，但通過該計(jì)劃的進(jìn)展可能會(huì)應(yīng)用于地面、海洋和水下系統(tǒng)。

  FLA項(xiàng)目中，唯一需要的人為參與的是放入無人機(jī)搜索的目標(biāo)（可能是在飛行前以數(shù)字圖片的形式上傳到機(jī)載計(jì)算機(jī)中）以及估計(jì)目標(biāo)的方向和距離。如果可能的話，可上傳該地區(qū)的地圖或衛(wèi)星圖片。當(dāng)操作者給出發(fā)射命令后，飛行器必須自動(dòng)導(dǎo)航飛向目標(biāo)，而不需要地形或環(huán)境信息，自主地圍繞未知障礙物進(jìn)行機(jī)動(dòng)，并根據(jù)需要尋找替代路徑。

  飛行器硬件系統(tǒng)

  飛行器的嵌入式計(jì)算系統(tǒng)能夠提供所需的核心計(jì)算能力，這對(duì)于飛行器在雜亂環(huán)境中進(jìn)行高速自主飛行的能力至關(guān)重要。嵌入式系統(tǒng)與內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器與3DR Pixhawk自動(dòng)駕駛儀連接。下圖為FLA飛行器和地面站系統(tǒng)的主要硬件、軟件組件。

  快速輕量自主項(xiàng)目第一階段

  2017年6月，在經(jīng)過一系列障礙物飛行測(cè)試后，DARPA的快速輕量自主（FLA）項(xiàng)目第一階段宣告結(jié)束。由DARPA支持的三個(gè)小組的研究人員聚集在佛羅里達(dá)州，對(duì)四軸無人飛行器進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。

  測(cè)試結(jié)合了前三次飛行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，一起測(cè)試了真實(shí)環(huán)境中的算法和魯棒性，如從陽光明媚到黑暗建筑內(nèi)部的快速調(diào)整、感測(cè)和避免各類障礙物、在無特征的環(huán)境中穿越漫長(zhǎng)距離。在最后一天，這架飛機(jī)必須依靠自身穿過一個(gè)樹木繁茂的區(qū)域和一個(gè)飛機(jī)場(chǎng)，找到黑暗機(jī)庫敞開的一扇門，圍繞架設(shè)在在機(jī)庫內(nèi)部的墻壁和障礙物進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行，找到一個(gè)紅色的化學(xué)桶作為目標(biāo)，并飛回到起點(diǎn)。

  試驗(yàn)成功很大程度上取決于出色的編程。FLA項(xiàng)目不是為了開發(fā)新的傳感器技術(shù)，或者通過增加計(jì)算能力來解決自主導(dǎo)航和障礙規(guī)避問題，其關(guān)鍵是使用低成本的慣性測(cè)量單元和市面上的四旋翼無人機(jī)來滿足能力需要，因此該項(xiàng)目更側(cè)重于開發(fā)一種實(shí)時(shí)高速、能夠與小型低功耗單板計(jì)算機(jī)共同工作的新算法。

  快速輕量自主項(xiàng)目第二階段

  2018年7月，F(xiàn)LA項(xiàng)目完成了第二階段的飛行測(cè)試，研究人員演示最新FLA軟件在模擬城市環(huán)境中，在沒有人類幫助的情況下執(zhí)行現(xiàn)實(shí)世界的任務(wù)。其展示的先進(jìn)算法可以將小型空中和地面系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏灾鲌?zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)的編隊(duì)成員——例如在充滿敵軍的城市環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的先前偵察，或者在地震后搜索受損建筑物以尋找幸存者。

  為使更小、更輕的四軸無人機(jī)取得更好的性能，研究人員基于2017年第一階段飛行測(cè)試，改進(jìn)了軟件，使用了商業(yè)傳感器，在佐治亞州佩里的監(jiān)護(hù)中心培訓(xùn)基地的模擬城鎮(zhèn)進(jìn)行了空中測(cè)試，測(cè)試的場(chǎng)景包括城市室外和室內(nèi)，取得了重大進(jìn)展，包括：

  在第二階段，來自麻省理工學(xué)院和德雷珀實(shí)驗(yàn)室（MIT/Draper）的工程師團(tuán)隊(duì)為使無人機(jī)速度增加，減少了機(jī)載傳感器的數(shù)量，以減輕無人機(jī)的重量。在飛行試驗(yàn)中，研究人員成功地演示了對(duì)模擬城鎮(zhèn)周邊不同位置汽車的自主識(shí)別。在“探索模式”下，無人機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行識(shí)別，并通過Wi-Fi實(shí)時(shí)提供可點(diǎn)擊的高分辨率圖像，同時(shí)可在手持設(shè)備上的ATAK地理數(shù)字地圖上顯示。

  發(fā)展意義

  “快速輕量自主”（FLA）項(xiàng)目研究了非傳統(tǒng)感知和自主方法，為不確定環(huán)境中高速無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，開發(fā)的算法可以使小型無人機(jī)借助自身攜帶的各種傳感器，在雜亂無章的建筑物內(nèi)和障礙遍布的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主完成任務(wù)。該項(xiàng)目已開發(fā)先進(jìn)的自主算法使得無人機(jī)具有繪制三維地圖與記憶環(huán)境的功能，這使得它可以在沒有任何通信等外界支撐的情況下執(zhí)行和完成任務(wù)，并且自己能回到出發(fā)點(diǎn)以供人員下載偵查信息。同時(shí)手持設(shè)備ATAK可通過Wi-Fi與無人機(jī)載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。這些自主能力減少了被無線電檢測(cè)的幾率，很大程度上提升了它的生存能力和安全性。