在一次毁灭性的地震后，无人机（UAV）能够穿越倒塌的建筑进行场景绘图，为救援人员提供快速到达幸存者所需的信息。然而，这对自主机器人来说依然是一个极具挑战性的任务，因为它需要迅速调整轨迹以避开突发障碍，同时保持航线。麻省理工学院与宾夕法尼亚大学的研究人员开发了一种新的轨迹规划系统，能够同时应对这两个挑战。该技术使无人机能够在毫秒内对障碍物作出反应，同时保持平滑的飞行路径，最小化旅行时间。该系统采用了一种新的数学公式，确保机器人沿着可行路径安全到达目的地，并且计算负担低于其他技术。因此，它能比现有先进方法更快地产生平滑的轨迹。轨迹规划器的效率足以支持实时飞行，仅依赖于机器人的机载计算机和传感器。名为MIGHTY的开源系统不需要花费数十万美元的专有软件包，这使得它能够在更广泛的现实环境中部署。除了搜索与救援，MIGHTY还可以应用于城市空间的最后一公里配送，避开建筑物、电线和人群，或在复杂结构（如风力涡轮机）的工业检查中使用。
“使用开源工具，MIGHTY实现了可比或更好的性能，这意味着全球任何研究人员、学生或公司都可以自由使用。通过消除成本障碍，MIGHTY帮助实现高性能轨迹规划的民主化，并为更广泛的社区在此基础上进行创新打开了大门，”负责该轨迹规划器论文的主要作者、航空航天研究生Kota Kondo表示。
Kondo与来自宾夕法尼亚大学的研究生Yuwei Wu、UPenn教授Vijay Kumar以及麻省理工学院航空航天系的资深作者Jonathan P. How共同完成了该论文，研究成果发表于IEEE Robotics and Automation Letters。
在Kondo还是个孩子的时候，福岛核事故在东日本大震灾后发生。学校停课，Kondo在家中被困，每天观看新闻，看到工作人员探索并保护反应堆现场。有些工作人员仍需进入危险区域以控制损害并评估情况，暴露在高剂量的放射性物质中。Kondo表示：“我对创造能够进入这些动态和危险情况的自主机器人产生了热情，然后回来向人类报告，让他们避免危险。”
这一任务需要强大的轨迹规划器，决定机器人从点A安全到达点B的路径。然而，许多现有系统迫使权衡，限制了性能。虽然一些商业系统能快速生成平滑轨迹，但价格高达数十万美元。开源替代方案通常在性能上落后于商业求解器或难以使用。通过MIGHTY，Kondo及其同事开发了一个开源系统，能够在实时反应障碍物的同时生成高质量、平滑的轨迹，并且仅依赖机载组件快速运行。
为此，他们克服了限制许多开源系统的一个关键挑战。这些方法通常将从点A到点B所需的时间估算作为第一步。通过固定的旅行时间，规划器找到到达目的地的最佳路径。虽然使用固定旅行时间可以快速生成轨迹，但也有缺点。例如，如果无人机必须绕过障碍物而大幅偏离路线，它可能需要提高速度以满足固定的旅行时间预算，这使得避开突发危险变得更加困难。
MIGHTY的方法不同，它使用一种称为Hermite样条的数学技术，在单一步骤中优化旅行时间和飞行路径，从而形成可精确控制的平滑轨迹。Kondo表示：“同时优化空间和时间组件能获得更好的结果，但现在优化变得更大，解决起来更困难。”研究人员使用了一种巧妙的技术来降低计算开销。MIGHTY不再每次都从头生成轨迹，而是先做出初步估计，然后通过迭代优化进行细化，利用无人机的激光雷达传感器生成的场景地图。
Kondo表示：“我们可以对轨迹做出合理的猜测，这比从头生成整个轨迹要快得多。”这使得MIGHTY能够在实时反应未知障碍物的同时，保持轨迹平滑并最小化旅行时间。该系统利用无人机的机载组件，这对于机器人可能远离基地站的应用至关重要。在模拟实验中，MIGHTY所需的计算时间仅为现有先进方法的约90%，而安全到达目的地的速度比这些方法快约15%。在对真实机器人进行测试时，它以每秒6.7米的速度避开了路径中的每一个障碍物。
Kondo表示：“使用MIGHTY，所有功能集成在一个系统中。它不需要与其他软件进行交互就能得到解决方案，这使我们比一些商业求解器更快。”未来，研究人员希望增强MIGHTY，使其能够同时控制多个机器人，并在更具挑战性的环境中进行更多飞行实验。他们希望根据用户反馈不断改进这个开源系统。
“通过重新审视轨迹表示，MIGHTY对灵活的机器人导航做出了重要贡献。Hermite样条已经在视觉同时定位与地图构建中成功应用，很高兴看到它们的优势现在被用于移动机器人的轨迹规划。通过实现路径几何、时序、速度和加速度的联合优化，同时保持轨迹的局部控制，MIGHTY为机器人计算快速、动态可行的运动提供了更多自由，”未参与该研究的苏黎世大学机器人与感知小组主任Davide Scaramuzza教授表示。该研究部分由美国陆军研究实验室和新加坡国防科学与技术局资助。
博主点评： MIGHTY的推出标志着开源轨迹规划领域的一次重大突破，其结合了实时反应能力和高效计算，极大地推动了机器人技术的发展。通过优化路径几何和时序，MIGHTY不仅提升了无人机的自主能力，还为未来多机器人协作奠定了基础。开源的选择更是为全球研究者提供了平等的机会，值得广泛推广。