DARPA快速轻量自主飞行项目

来源：高端装备发展研究中心

Fast Lightweight Autonomy项目背景

DARPAFLA项目推动发展的技术，能够让小型四旋翼无人机通过机载相机、传感器以及智能的自主导航算法，以20米/秒的速度（约合72千米/时）穿过杂乱的建筑物和存在障碍的环境。

该技术的潜在应用包括：在军事人员进入建筑物前对其内部进行快速的扫描，在从空中的视线会被树冠遮挡的森林密布区或丛林中寻找被击落的飞行员，在地震等自然灾害发生后进入受损建筑物寻找幸存者等。

FLA的目标是开发一种先进的算法，使无人机或无人车辆能够在没有人类操作员、GPS或任何数据链的引导下自主运行。这样无人机就能够在室内、地下或人为干扰等无法使用GPS的环境下执行任务。

该计划侧重于自主性，而不是在飞行平台上，其中“自主”包括感知，感知，规划和控制。

DARPA正在使用商业四转台平台上的定制有效载荷，开发和演示自主飞行能力。FLA计划的初始重点是无人机，但通过该计划的进展可能会应用于地面、海洋和水下系统。

FLA项目中，唯一需要的人为参与的是放入无人机搜索的目标（可能是在飞行前以数字图片的形式上传到机载计算机中）以及估计目标的方向和距离。如果可能的话，可上传该地区的地图或卫星图片。当操作者给出发射命令后，飞行器必须自动导航飞向目标，而不需要地形或环境信息，自主地围绕未知障碍物进行机动，并根据需要寻找替代路径。

飞行器硬件系统

飞行器的嵌入式计算系统能够提供所需的核心计算能力，这对于飞行器在杂乱环境中进行高速自主飞行的能力至关重要。嵌入式系统与内环姿态控制器与3DR Pixhawk自动驾驶仪连接。下图为FLA飞行器和地面站系统的主要硬件、软件组件。

快速轻量自主项目第一阶段

2017年6月，在经过一系列障碍物飞行测试后，DARPA的快速轻量自主（FLA）项目第一阶段宣告结束。由DARPA支持的三个小组的研究人员聚集在佛罗里达州，对四轴无人飞行器进行了测试试验。

测试结合了前三次飞行实验的结果，一起测试了真实环境中的算法和鲁棒性，如从阳光明媚到黑暗建筑内部的快速调整、感测和避免各类障碍物、在无特征的环境中穿越漫长距离。在最后一天，这架飞机必须依靠自身穿过一个树木繁茂的区域和一个飞机场，找到黑暗机库敞开的一扇门，围绕架设在在机库内部的墙壁和障碍物进行机动飞行，找到一个红色的化学桶作为目标，并飞回到起点。

试验成功很大程度上取决于出色的编程。FLA项目不是为了开发新的传感器技术，或者通过增加计算能力来解决自主导航和障碍规避问题，其关键是使用低成本的惯性测量单元和市面上的四旋翼无人机来满足能力需要，因此该项目更侧重于开发一种实时高速、能够与小型低功耗单板计算机共同工作的新算法。

快速轻量自主项目第二阶段

2018年7月，FLA项目完成了第二阶段的飞行测试，研究人员演示最新FLA软件在模拟城市环境中，在没有人类帮助的情况下执行现实世界的任务。其展示的先进算法可以将小型空中和地面系统转变为能自主执行危险任务的编队成员——例如在充满敌军的城市环境中执行任务的先前侦察，或者在地震后搜索受损建筑物以寻找幸存者。

为使更小、更轻的四轴无人机取得更好的性能，研究人员基于2017年第一阶段飞行测试，改进了软件，使用了商业传感器，在佐治亚州佩里的监护中心培训基地的模拟城镇进行了空中测试，测试的场景包括城市室外和室内，取得了重大进展，包括：

在第二阶段，来自麻省理工学院和德雷珀实验室（MIT/Draper）的工程师团队为使无人机速度增加，减少了机载传感器的数量，以减轻无人机的重量。在飞行试验中，研究人员成功地演示了对模拟城镇周边不同位置汽车的自主识别。在“探索模式”下，无人机对车辆进行识别，并通过Wi-Fi实时提供可点击的高分辨率图像，同时可在手持设备上的ATAK地理数字地图上显示。

发展意义

“快速轻量自主”（FLA）项目研究了非传统感知和自主方法，为不确定环境中高速无人机进行导航，开发的算法可以使小型无人机借助自身携带的各种传感器，在杂乱无章的建筑物内和障碍遍布的环境下实现自主完成任务。该项目已开发先进的自主算法使得无人机具有绘制三维地图与记忆环境的功能，这使得它可以在没有任何通信等外界支撑的情况下执行和完成任务，并且自己能回到出发点以供人员下载侦查信息。同时手持设备ATAK可通过Wi-Fi与无人机载荷进行数据同步。这些自主能力减少了被无线电检测的几率，很大程度上提升了它的生存能力和安全性。

主要参考资料：

[1]. 快速轻量自主飞行计划——DARPA自动化无人机

[2]. DARPA快速轻量自主项目第一阶段宣告结束

[3]. Microsoft PowerPoint - 2015 01 05 FLA Proposers' Day DISTAR 23929 with AUDIO

[4]. Steve Paschall；Julius Rose.  Fast, lightweight autonomy through an unknown cluttered environment: Distribution statement: A — Approved for public release; distribution unlimited.  2017 IEEE Aerospace Conference

[5]. 更轻，更小，更智能：DARPA完成FLA项目第二阶段飞行试验