美国宇航局技术

甚至在预期的自主无人机终于到了天空之前,美国空军已经饱和,现在退休的兰利研究中心科学家肯尼斯琼斯说。一个机场的延迟通过系统发送纹波效果,导致更多延迟和错过的连接。飞行基础设施不能在任何时候都超过7,000架飞机在任何时候都在美国飞行。然而,一旦实施规则和安全预防措施,允许无人驾驶无人机,该数字预计将飙升至约200万。

“我们将在一夜之间从数千到数百万开始,”琼斯说。“这是一个巨大的问题。”

显然,无人机不会使用机场跑道,但它们会使飞行路径变得复杂,尤其是对较小、飞行较低的飞机来说。

三架小型无人机在一个区域上空飞行,那里有两个人坐在一张桌子旁
2019年6月,Heron系统公司和马里兰大学在该校的霍元甲飞行设施测试了该公司用于自主无人机团队合作的多智能体协作(MACE)系统。一名苍鹭系统的员工和一名研究生指挥了两种不同类型的五架无人机的飞行,MACE被用来创建群,协调代理之间的任务,协调路径规划,并建立地面控制。

他认为,一个有助于缓解这一问题的解决方案是让飞机能够相互沟通,并自动协调它们的行动。这个想法引起了他的兴趣,由位于马里兰州加州的Heron系统公司提出的一项提议,该公司希望开发软件和硬件,使无人机能够协同分配任务和资源,规划飞行路径,共同朝着一个共同的目标工作,而无需操作员的帮助。

飞机,特别是航空公司,几十年来一直致力于自主,因为自动驾驶系统已经采取了越来越多的飞行员的工作。“首先的目标不是自主,但有机器有助于飞行员做出更好的决定,”琼斯指出。“现在他们可以自动落地。”

在无人机界和联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,简称faa)创建下一代航空运输系统(下一代Air Transportation System)的努力中,一直存在关于自主合作应该由中央控制器协调还是由飞机自己解决的争论。琼斯认为任何自动化解决方案都介于两者之间,但他倾向于让飞行器来做决定。

他欣赏苍鹭的系统似乎正在沿着同一条线思考,即使公司没有考虑航空公司飞行控制。“苍鹭朝着你在飞机上把本地智能提出的频谱结束,以便做出当地决定,”他说。

技术转让

“肯尼有点像象征,”赫隆系统副总裁Brett Darcey说,注意到琼斯也影响了公司的方法。它是借助于2015年奖励本公司的两家小型企业创新研究(SBIR)合同奖金的琼斯,其中一名由兰利和阿姆斯特朗航班研究中心资助的NASA。

自1997年成立以来,苍鹭系统曾担任国防承包商,主要为海军提供测试和仿真产品和服务。但该公司希望分支出来,达尔威尔说。现在被称为多代理合作订阅(MACE)左右左右开始,当公司的软件工程师Ken Kroeger开始研究宠物项目,用于指挥和控制多种无人机。他在多机器人协调中进行了背景,最近开始与农民和能源公司一起做一些无人机工作。

Kroeger说:“第一个SBIR让它变得更现实,而不仅仅是我后院的宠物项目。”

他从流行的开源机器人操作系统(ROS)开始使用工具和软件模块。这不仅提供了一组现成的构建块,而且现在使得MACE与基于ROS的其他机器人系统兼容。(Kroeger将结果介绍作为乐高播放集的软件。)赫隆系统适应了这些工具,并添加了自己的软件模块和硬件,让多个飞机通信,跟踪彼此,以及交互式飞行路径并避免冲突。

因为一架小型商用无人机不能携带太多额外的重量或牺牲太多的能量,所以运行MACE的硬件既小又简单——Kroeger说:“没有什么是工程师用烙铁不能完成的。”

基础软件是在开源许可下免费提供的,部分原因是为了建立一个用户社区和未来集群技术的市场,并获得反馈,例如终端用户希望适应什么样的应用程序。

好处

到2018年底,Heron系统公司完成SBIR工作仅5个月后,该公司从NASA、国防高级研究计划局(DARPA)和国土安全部赢得了约75万美元的后续合同。马里兰大学(University of Maryland)正在使用MACE来帮助美国国防部高级研究计划局(DARPA)的工作,弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)也在研究如何获得它。

一个空中交通管制塔与班机在远处起飞
现有的飞行基础设施几乎无法管理美国领空每天约7000次飞行,一旦自动飞行法规就位,估计将有200万架无人驾驶飞机加入该领域的飞机行列。NASA希望像Heron Systems公司的MACE软件和硬件这样的技术能够帮助飞机和无人机一起避免事故,并在最小的指导下计算出飞行路径。

“这对于一个夏天来说还不错,”达西说。

他很快就看到了在军事训练中的应用,在那里虚拟环境提供了一种比现场训练更便宜的选择。虚拟战斗训练遇到的一个困难是编程模拟敌人战斗机,无论是军队、飞机还是船只,使其表现得逼真。MACE软件可以让虚拟战斗机更像一个真正的团队。他说:“当我去防务公司和相关项目,向他们介绍MACE时,很多人都对我表示惊讶和关注。”

达西说,一旦自动无人机法规就位,用蜂群监测农作物和基础设施将是一个明显的应用。这架小飞机的电池寿命仍然相当短,所以部署一组人去调查一个地区比每20分钟左右更换一架无人机的电池更有意义。他说:“随着市场的成熟,我们可以合法地运营一个群体,我们将很好地定位于解决规模问题的应用。”

2018年,Langley授予该公司另一个SBIR合同来创建将插入MACE的算法,并充当虚拟“拍卖师”以分配任务。群体中的每个“代理”将计算它会降低给定任务的资源,并且该作业将达到最便宜的人。竞标继续在新任务上,直到所有无人机都很忙。“这开始突破一个操作员告诉大家该做什么,”达尔斐说。“代理商决定谁做了什么。这是目前机器人研究的流血边缘以及我们热衷于从最终用户的角度来探索的东西。“

他说,这种能力“是使MACE具有商业可行性的真正秘密武器。”同时,他说,公司将继续在NASA内部寻找更多的应用。

琼斯说,他可以看到除了空中交通管制以外的用途。例如,几年前,美国宇航局的科学家发现火星大气中存在大量甲烷。他们想要确定它在火星表面的起源,但这无法远程完成,而且漫游者只能覆盖火星的一小部分。但是,如果在海面上部署一群简单的传感器无人机会怎样呢?

“当你使用蜂群时,你可能有80%的个体失败,但仍然有100%的成功,”他说。“蜂群有内在的冗余。但你必须克服协调问题。”

达西说,他希望能在公司还没有考虑过的地方找到兴趣。他说:“SBIRs让我们有了一个既雄心勃勃又可能实现的原型。”“这笔钱足够创造新的东西,让它成熟到可以生存的地步。”