在森林中寻找迷路的徒步者可能是一项艰难且耗时的工作，因为直升机和无人机无法穿透茂密的树冠观察地面。近期，有人提出，可穿行于树木之间的自主无人机或许能协助搜寻。但用于引导飞行器的 GPS 信号在森林环境中可能不可靠，甚至完全无法接收。
在下周举行的国际实验机器人研讨会会议上发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员介绍了一套自主系统，可让一支无人机机群协同搜索茂密森林的树冠下方。无人机仅使用机载计算和无线通信，无需 GPS。
每架自主四旋翼无人机都配备了激光测距仪，用于位置估计、定位和路径规划。无人机飞行时，会为地形创建一张独立的三维地图。算法帮助它识别尚未探索和已经搜索过的区域，从而判断何时已完成某一区域的测绘。机载设备之外的地面站会将多架无人机各自的地图融合为一张全局三维地图，供人类救援人员查看。
在实际应用中（当前系统尚未具备这一功能），无人机将配备物体检测技术，以识别失踪的徒步者。发现目标后，无人机将在全局地图上标记徒步者的位置。随后，人们可以利用这些信息规划救援行动。
“从本质上说，我们用一支无人机机群取代人力，让搜救流程中的搜索环节变得更高效。”论文第一作者、航空航天系（AeroAstro）研究生 Yulun Tian 说。
研究人员在随机生成的森林模拟环境中测试了多架无人机，并在 NASA 兰利研究中心的一片林地中测试了两架无人机。在这两项实验中，每架无人机都能在约两到五分钟内测绘约 20 平方米的区域，并实时协同融合地图。无人机在多项指标上也表现良好，包括整体速度、完成任务所需时间、森林特征检测能力以及地图融合的准确性。
论文的共同作者包括：麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）及航空航天系（AeroAstro）博士生 Katherine Liu；CSAIL 和电气工程与计算机科学系博士生 Kyel Ok；NASA 兰利研究中心的 Loc Tran 和 Danette Allen；航空航天系教授兼 CSAIL 研究员 Nicholas Roy；以及理查德·科伯恩·麦克劳林航空航天学教授 Jonathan P. How。
探索与测绘
研究人员在每架无人机上安装了一套激光雷达（LIDAR）系统。该系统通过发射激光束并测量反射脉冲，生成周围障碍物的二维扫描图。这可以用于探测树木；然而，在无人机看来，单棵树彼此极为相似。如果无人机无法识别某棵树，就无法判断自己是否已经探索过该区域。
研究人员没有让无人机识别单棵树，而是对其进行编程，让它们识别多棵树的朝向，这种特征更具辨识度。采用这种方法时，当激光雷达信号返回一组树木的信息，算法便会计算树木之间的角度和距离，以识别这组树木。Tian 说：“无人机可以把这当作独特标记，判断自己以前是否来过这个区域，或者这里是否是新区域。”
这种特征检测技术有助于地面站准确融合地图。无人机通常会绕圈探索区域，并在过程中生成扫描数据。地面站会持续监控这些扫描数据。当两架无人机绕行至同一组树木附近时，地面站会计算两架无人机之间的相对变换来融合地图，然后合并各自的地图，以保持朝向一致。
Tian 说：“计算相对变换后，你就能知道如何对齐两张地图，使它们准确呈现森林的实际样貌。”
地面站使用一种名为“同步定位与地图构建”（SLAM）的机器人导航软件。该软件既能绘制未知区域的地图，也能跟踪区域内的智能体；它利用激光雷达输入来定位无人机并获取其位置，从而准确融合地图。
最终生成的地图呈现了地形的三维特征。树木会显示为蓝色至绿色的色块，颜色取决于高度。未探索区域呈深色，随着无人机完成测绘会变成灰色。机载路径规划软件会指引无人机飞行时始终探索这些深色的未探索区域。Tian 说，生成三维地图比单纯在无人机上安装摄像头并监看视频画面更可靠。例如，将视频传输到中央站需要大量带宽，而森林地区可能无法提供足够带宽。
提升搜索效率
一项关键创新是新的搜索策略，它能让无人机更高效地探索区域。按照较传统的方法，无人机总会搜索最近的未知区域。然而，这一区域可能位于无人机当前位置的任意方向。无人机通常会先短距离飞行，然后停下来选择新的方向。
Tian 说：“这没有考虑无人机的运动动力学。它必须停下来转向，因此在时间和能量方面都非常低效，也无法真正加速。”
研究人员的无人机则会在考虑当前飞行方向的同时，探索最近的区域。他们认为，这有助于无人机保持更稳定的速度。这种策略让无人机倾向于沿螺旋路线飞行，从而快得多地覆盖搜索区域。Tian 说：“在搜救任务中，时间非常重要。”
在论文中，研究人员将他们的新搜索策略与传统方法进行了比较。与基准方法相比，研究人员的策略帮助无人机覆盖了显著更大的区域，完成任务快了几分钟，平均速度也更高。
在实际应用中，一个限制是无人机仍必须与机载设备之外的地面站通信，才能融合地图。在户外实验中，研究人员不得不架设无线路由器，将每架无人机与地面站连接起来。未来，他们希望设计出能让无人机在彼此接近时进行无线通信并融合地图、分开后再切断通信的方案。在这种情况下，地面站只需用于监控更新后的全局地图。
