拒絕GPS導(dǎo)航擴(kuò)大了關(guān)鍵任務(wù)無(wú)人機(jī)用例的門(mén)檻

在荒涼的環(huán)境中進(jìn)行偵察對(duì)美國(guó)軍方來(lái)說(shuō)并不是什么新鮮事。然而，隨著實(shí)地的外國(guó)威脅變得更加復(fù)雜和遙遠(yuǎn)，在危險(xiǎn)、難以到達(dá)的地方收集情報(bào)的挑戰(zhàn)需要一種方法，最大限度地收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)最大限度地減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的風(fēng)險(xiǎn)。

使用無(wú)人機(jī)系統(tǒng) （UAS） 或無(wú)人機(jī)在危險(xiǎn)情況下執(zhí)行情報(bào)、監(jiān)視和偵察 （ISR） 工作要求它們重量輕、符合法規(guī)，并在動(dòng)態(tài) GPS 和 GPS 拒絕的環(huán)境中可靠地機(jī)動(dòng)。

沒(méi)有全球定位系統(tǒng)，沒(méi)問(wèn)題

GPS已成為汽車(chē)，手機(jī)和包括UAS在內(nèi)的設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航功能。自主UAS使用GPS來(lái)確定其緯度和經(jīng)度，以及氣壓計(jì)（用于高度）和指南針（用于磁航向），以獲得它們?cè)谔罩形恢玫臏?zhǔn)確方向和位置。他們還使用此數(shù)據(jù)來(lái)確定其他對(duì)象的位置，例如任務(wù)航點(diǎn)、地理圍欄和起始位置。

GPS信號(hào)的強(qiáng)度決定了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。GPS在天空視野暢通無(wú)阻的情況下效果最好，但隨著用例數(shù)量的增加，UAS必須導(dǎo)航的不同類(lèi)型的環(huán)境也是如此。

對(duì)于UAS來(lái)說(shuō)，在室內(nèi)或建筑物附近導(dǎo)航可能非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻ㄖ飼?huì)阻擋并反射GPS衛(wèi)星與接收器的通信。即使衛(wèi)星強(qiáng)度略有下降，也會(huì)導(dǎo)致位置精度迅速下降。GPS信號(hào)的退化或丟失會(huì)降低位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并可能迫使車(chē)輛終止導(dǎo)航，直到有人干預(yù)或撞車(chē)。

沒(méi)有GPS信號(hào)，UAS就無(wú)法在太空中定位，因此無(wú)法自行運(yùn)行。由于無(wú)人機(jī)通常必須在動(dòng)態(tài)GPS中導(dǎo)航到拒絕GPS的環(huán)境，因此當(dāng)GPS不可用時(shí)，它們需要可靠的備用導(dǎo)航工具。通過(guò)視覺(jué)慣性里程計(jì)（VIO），UAS可以在沒(méi)有GPS的情況下自主運(yùn)行。VIO使用視覺(jué)和慣性數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量行進(jìn)距離和位置，而無(wú)需GPS信號(hào)。VIO的獨(dú)特之處在于它可以在3D空間中測(cè)量飛機(jī)的位置，并且是許多其他計(jì)算機(jī)視覺(jué)功能的基礎(chǔ)，例如避障，位置控制和GPS拒絕環(huán)境中的自主導(dǎo)航。

同時(shí)使用 GPS 和 VIO 的 UAS 可以在動(dòng)態(tài)環(huán)境中精確導(dǎo)航并完成關(guān)鍵任務(wù)，包括：

室內(nèi)監(jiān)控：由于信號(hào)干擾會(huì)降低或消除 GPS 可靠性，因此在隧道、地雷、掩體和其他結(jié)構(gòu)內(nèi)飛行小型 UAS （sUAS） 可能很困難或不可能。

搜索和救援：根據(jù)地形、茂密的樹(shù)木覆蓋和其他自然障礙物，GPS 信號(hào)可能微弱甚至不存在，因?yàn)檎系K物使連接成為挑戰(zhàn)。

災(zāi)區(qū)：無(wú)人機(jī)通常用于緊急救援工作，因?yàn)樗鼈兡軌蜻M(jìn)入難以到達(dá)的地方，但碎片和瓦礫會(huì)削弱GPS信號(hào)。

關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施：使用UAS測(cè)量建筑物，橋梁和其他潛在的禁區(qū)結(jié)構(gòu)，而無(wú)需部署現(xiàn)場(chǎng)人員，從而提高安全性，同時(shí)提供僅憑人員并不總是可以訪問(wèn)的多個(gè)視角的優(yōu)勢(shì)。

越小越好

由于重量是重力的克星，因此UAS必須盡可能輕巧，尤其是在密閉空間中使用時(shí)。優(yōu)化重量和飛行的一種方法是在其主印刷電路板（PCB）上使用帶有多個(gè)集成組件的自動(dòng)駕駛儀。

PCB現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更小，更智能。傳統(tǒng)上，UAS開(kāi)發(fā)人員需要使用六到七個(gè)不同的板來(lái)實(shí)現(xiàn)自主性，AI和飛行。然而，隨著新技術(shù)和創(chuàng)新，市場(chǎng)上的一些自動(dòng)駕駛儀現(xiàn)在將所有計(jì)算能力濃縮到一個(gè)單板解決方案中。這種單一包裝解決方案可實(shí)現(xiàn)更小、更輕的飛行器，非常適合在危險(xiǎn)情況下導(dǎo)航。單個(gè) PCB 還可以減少布線和成本，同時(shí)提高可靠性，因?yàn)榻M件更少。

另外， 考慮使用集成 PCB 時(shí)的易于開(kāi)發(fā);由于已經(jīng)板上已有軟件，因此開(kāi)箱即用?；陂_(kāi)源平臺(tái)構(gòu)建的 PCB 配有可靠的軟件開(kāi)發(fā)套件 （SDK），可實(shí)現(xiàn)靈活高效的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，以及用于可選附加組件的功能端口。

美國(guó)國(guó)防部（DoD）國(guó)防創(chuàng)新部門(mén)（DIU）率先開(kāi)展了所謂的“藍(lán)色UAS項(xiàng)目”，該項(xiàng)目為國(guó)防部和聯(lián)邦政府合作伙伴開(kāi)發(fā)了值得信賴(lài)的sUAS。這項(xiàng)工作建立在美國(guó)陸軍的sUAS記錄計(jì)劃短程偵察（SRR）的基礎(chǔ)上，以頒布廉價(jià)，背包便攜式，垂直起降sUAS。根據(jù)DIU的信息，藍(lán)色sUAS系統(tǒng)共享SRR飛行器的功能，但集成了供應(yīng)商提供的地面控制系統(tǒng)。

藍(lán)色UAS框架計(jì)劃滿(mǎn)足國(guó)防部的要求，即提供在國(guó)防部sUAS計(jì)劃內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高水平的現(xiàn)場(chǎng)自主性的sUAS組件;sUAS組件之間的共性，可減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本;以及通過(guò)在可信平臺(tái)上測(cè)試面向未來(lái)的技術(shù)來(lái)領(lǐng)先于國(guó)防部最新要求的能力。

集成的即插即用解決方案的一個(gè)示例是來(lái)自ModalAI的VOXL Flight。它將配套計(jì)算機(jī)與PX4飛行控制器融合在一個(gè)PCB上，從而實(shí)現(xiàn)GPS拒絕飛行。它的自動(dòng)駕駛儀從GPS無(wú)縫切換到VIO，即使在動(dòng)態(tài)環(huán)境中也能確保精確飛行。ModalAI自2018年以來(lái)一直與DIU合作。

利用 AI 讓無(wú)人機(jī)更智能

將人工智能（AI）的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)與自主無(wú)人機(jī)的探索能力相結(jié)合，使“智能”UAS成為21世紀(jì)軍事行動(dòng)的重要組成部分。人工智能為無(wú)人機(jī)增加了先進(jìn)的感知功能，為飛行員提供物體跟蹤和分類(lèi)、區(qū)域測(cè)繪和實(shí)時(shí)操作反饋等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這種原始數(shù)據(jù)收集具有前瞻性的好處，使指揮中心人員能夠從捕獲的圖像和反饋中學(xué)習(xí)，從而制定適用于未來(lái)任務(wù)的有根據(jù)的理論。

基于GPS拒絕導(dǎo)航構(gòu)建通信拒絕導(dǎo)航

當(dāng)sUAS在隧道等拒絕GPS的環(huán)境中導(dǎo)航時(shí)，它也可能失去與其無(wú)線電鏈路的連接，這可能會(huì)切斷與飛行員的實(shí)時(shí)通信。在這些通信被拒絕（通信被拒絕）的情況下，車(chē)輛必須能夠獨(dú)立于飛行員完成其任務(wù)并分析數(shù)據(jù)。這就是機(jī)載計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能接管的地方。

支持人工智能的UAS進(jìn)一步受益于智能自導(dǎo)航和物體回避/檢測(cè)，這在通信和GPS拒絕環(huán)境中至關(guān)重要。實(shí)時(shí)處理機(jī)載數(shù)據(jù)的能力使無(wú)人機(jī)能夠獨(dú)立于飛行員做出決策。

例如：sUAS被派去執(zhí)行偵察任務(wù)，以偵察隧道中的敵方人員并失去無(wú)線電鏈路連接。在這種情況下，它仍然可以依靠VIO進(jìn)行導(dǎo)航，并依靠AI來(lái)繪制和探索領(lǐng)土。計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度/圖像傳感器使UAS能夠自主掃描和識(shí)別可能構(gòu)成威脅的物體或人。一旦檢測(cè)到威脅，飛行器就會(huì)被編程為返回飛行員，在那里它可以傳達(dá)其發(fā)現(xiàn)。

這種自主性為軍事和企業(yè)應(yīng)用提供了廣泛的用例，包括結(jié)構(gòu)和地下檢查、地形掃描、安全監(jiān)控、在惡劣環(huán)境中檢測(cè)危險(xiǎn)等。

在惡劣或密集的室內(nèi)環(huán)境中飛行UAS需要精確的飛行解決方案，以便在啟用GPS和拒絕GPS的環(huán)境之間導(dǎo)航。GPS拒絕的自主飛行器也可以在傳統(tǒng)的敵人干擾或操縱GPS信號(hào)的戰(zhàn)略之外運(yùn)行。在拒絕GPS和拒絕通信的環(huán)境中為飛船配備GPS和VIO導(dǎo)航工具，結(jié)合智能AI和計(jì)算機(jī)視覺(jué)解決方案，擴(kuò)大了這些sUAS的視野。

審核編輯：郭婷