研究人员开发无人机虚拟现实试验场
麻省理工学院的工程师们为无人机开发了一种新的虚拟现实训练系统，使飞行器在空旷的物理空间飞行时能够“看到”丰富的虚拟环境。
训练无人机快速飞行，甚至绕过最简单的障碍，是一项容易发生事故的训练，工程师们可能会以令人沮丧的频率修理或更换车辆。
现在，麻省理工学院的工程师们为无人机开发了一种新的虚拟现实训练系统，使飞行器在空旷的物理空间飞行时能够“看到”丰富的虚拟环境。
该团队将该系统称为“飞行护目镜”，可以减少无人机在实际训练过程中的坠毁次数。它还可以作为虚拟试验台，用于研究人员可能想要训练快速飞行的无人机的任何环境和条件。
麻省理工学院航空航天副教授Sertac Karaman说:“我们认为这是无人机技术发展的一个游戏规则改变者，因为无人机的速度很快。”“如果有什么不同的话，那就是该系统可以让自动驾驶汽车反应更灵敏、更快、更高效。”
不断超越自己
卡拉曼最初的动机是一项新的极限机器人运动:竞争性无人机比赛，在这场比赛中，由人类玩家驾驶的遥控无人机试图在错综复杂的窗户、门和其他障碍物中超越对方。卡拉曼想知道:经过训练，一架自动驾驶的无人机是否能飞得和这些人类控制的飞行器一样快，甚至更快，而且精度和控制能力更高?
卡拉曼说:“在未来两三年里，我们希望用自动驾驶无人机参加无人机比赛，并击败最好的人类选手。”要做到这一点，该团队必须制定一套全新的训练方案。
目前，训练自动驾驶无人机是一项体力活:研究人员在大型封闭的测试场地驾驶无人机，他们经常在那里悬挂大网，捕捉任何倾斜的车辆。他们还设置了窗户和门等道具，无人机可以通过这些道具学习飞行。当车辆发生事故时，必须进行维修或更换，这会延误开发并增加项目成本。
卡拉曼说，以这种方式测试无人机可以适用于那些不打算快速飞行的车辆，比如被设定为缓慢绘制周围环境地图的无人机。但是对于快速飞行的飞行器来说，当它们在一个环境中飞行时，需要快速处理视觉信息，新的训练系统是必要的。
卡拉曼说:“当你想要进行高通量计算并快速运行时，即使你对其环境做出最微小的改变，也会导致无人机崩溃。”“在那种环境下你无法学习。如果你想突破计算速度的极限，你就需要某种虚拟现实环境。”
飞行护目镜
该团队的虚拟训练系统包括一个动作捕捉系统、一个图像渲染程序和电子设备，使团队能够快速处理图像并将其传输给无人机。
实际的测试空间——位于麻省理工学院31号楼的新无人机测试设施中的一个像机库一样的体育馆——排列着运动捕捉摄像机，可以在无人机飞行时跟踪它的方向。
有了图像渲染系统，卡拉曼和他的同事们可以绘制出逼真的场景，比如阁楼公寓或客厅，并在无人机飞过空荡荡的设施时将这些虚拟图像传送给无人机。
卡拉曼说:“无人机将在一个空房间里飞行，但会在一个完全不同的环境中产生‘幻觉’，并在那个环境中学习。”
无人机可以以大约每秒90帧(FPS)的速度处理虚拟图像，这大约是人眼看到和处理图像的速度的三倍。为了实现这一目标，该团队定制了集成了强大嵌入式超级计算机的电路板，以及惯性测量单元和摄像机。他们将所有这些硬件安装在一个小型的3d打印尼龙和碳纤维增强无人机框架中。
速成班
研究人员进行了一系列实验，其中一项是让无人机学会在一个大小约为其两倍的虚拟窗口中飞行。窗户设置在一个虚拟的客厅里。当无人机在实际的空测试设施中飞行时，研究人员从无人机的角度将客厅场景的图像传回车辆。当无人机飞过这个虚拟房间时，研究人员调整了一个导航算法，使无人机能够在飞行中学习。
根据该设施的动作捕捉摄像头提供的定位信息，这架无人机以每秒2.3米(每小时5英里)的速度飞行了10多次，成功地飞越了虚拟窗口361次，只有三次“撞上”窗户。卡拉曼指出，即使无人机坠毁数千次，也不会对开发成本或时间造成太大影响，因为它是在虚拟环境中坠毁的，与现实世界没有任何物理接触。
在最后的测试中，该团队在测试设施中设置了一个实际的窗口，并打开无人机的机载摄像头，使其能够看到和处理实际环境。使用研究人员在虚拟系统中调整的导航算法，无人机在8次飞行中，能够通过真实窗口飞行119次，只有6次坠毁或需要人为干预。
卡拉曼说:“这在现实中也是一样的。”“这是我们编程让它在虚拟环境中做的事情，通过犯错、崩溃和学习。但在这个过程中，我们并没有打破任何实际的窗户。”
他说，虚拟培训系统具有很强的可塑性。例如，研究人员可以在他们自己的场景或布局中训练无人机，包括详细的、无人机映射的实际建筑副本——这是该团队正在考虑与麻省理工学院的Stata中心合作做的事情。该训练系统还可能用于测试新的传感器或现有传感器的规格，看看它们如何在快速飞行的无人机上运行。
“我们可以在这个虚拟环境中尝试不同的规格，然后说，‘如果你用这些规格制造一个传感器，它将如何帮助这种环境中的无人机?卡拉曼说。
该系统还可用于训练无人机在人类周围安全飞行。例如，卡拉曼设想将实际的测试设施一分为二，无人机在一半飞行，而穿着动作捕捉服的人在另一半行走。当无人机在自己的空间飞行时，它将在虚拟现实中“看到”人类。如果它撞到人身上，结果是虚拟的，而且是无害的。
卡拉曼说:“有一天，当你真的有信心的时候，你可以在现实中做到这一点，让无人机在人们跑步的时候绕着他们飞行，而且是安全的。”“在整个虚拟现实中，你可以做很多令人费解的实验。随着时间的推移，我们将展示你能做的所有事情。”
麻省理工学院
-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程机器人的故事．
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