當多架無人機在同一空域工作時，也許是在一片玉米田上噴灑農藥，它們有可能會相互碰撞。為了幫助避免這些代價高昂的碰撞，麻省理工學院的研究人員在2020年提出了一個名為MADER的系統。這種多代理軌跡規劃器使一組無人機能夠制定出最佳的、無碰撞的軌跡。

每個代理都會廣播它的軌跡，以便其他無人機知道它打算去哪裡。然後，代理在優化自己的軌跡時考慮對方的軌跡，以確保它們不會發生碰撞。

但是，當研究小組在真實的無人機上測試該系統時，他們發現，如果無人機沒有關於其夥伴軌蹟的最新信息，它可能會無意中選擇一條導致碰撞的路徑。研究人員修改了他們的系統，現在正在推出Robust MADER，這是一個多代理人軌跡規劃器，即使在代理人之間的通信延遲時也能生成無碰撞軌跡。

“MADER在模擬中效果很好，但它還沒有在硬件中測試過。因此，我們建造了一批無人機並開始飛行。無人機需要相互交談以共享軌跡，但是一旦你開始飛行，你很快就會意識到，總是有通信延遲，會帶來一些故障，”航空和航天學研究生Kota Kondo說。

讓多架無人機一起工作

當多架無人機在同一空域一起工作時，它們有可能發生碰撞。但現在AeroAstro的研究人員已經創建了一個軌跡規劃系統，使處於同一空域的無人機總是選擇一條安全的道路前進。資料來源：研究人員提供

該算法包含一個延遲檢查步驟，在此期間，無人機在致力於新的、優化的軌蹟之前會等待一定的時間。如果它在延遲期間收到來自其他無人機的額外軌跡信息，它可能會放棄其新的軌跡並重新開始優化過程。

當Kondo和他的合作者在模擬和真實無人機的飛行實驗中測試Robust MADER時，它在生成無碰撞軌跡方面達到了100%的成功率。雖然無人機的飛行時間比其他一些方法要慢一些，但其他基線都無法保證安全。

“如果你想飛得更安全，你就必須小心，因此，如果你不想與障礙物相撞，就會花更多時間到達目的地，這是合理的。”Kondo說：”如果你與什麼東西相撞，無論你走得多快，其實都無所謂，因為你不會到達目的地。”

Kondo與博士後Jesus Tordesillas、研究生Parker C. Lusk、麻省理工學院本科生Reinaldo Figueroa、Juan Rached和Joseph Merkel，以及資深作者Richard C. Maclaurin航空和航天學教授、信息和決策系統實驗室（LIDS）的主要研究員、麻省理工學院-IBM Watson AI實驗室的成員Jonathan P. How共同撰寫了這篇論文。該研究將在國際機器人和自動化會議上發表。

規劃軌跡

MADER是一個異步的、分散的、多代理的軌跡規劃器。這意味著每架無人機都制定自己的軌跡，雖然所有代理必須就每條新的軌跡達成一致，但他們不需要同時達成一致。這使得MADER比其他方法更具可擴展性，因為成千上萬的無人機很難同時就一條軌跡達成一致。由於其分散的性質，該系統在無人機可能遠離中央計算機飛行的現實環境中也會更好地工作。

有了MADER，每架無人機使用一種算法來優化新的軌跡，這種算法結合了它從其他代理那裡收到的軌跡。通過不斷地優化和廣播他們的新軌跡，無人機可以避免碰撞。

但是，也許一個代理在幾秒鐘前就分享了它的新軌跡，但由於通信延遲，同伴沒有立即收到它。在現實世界的環境中，信號經常被其他設備的干擾或暴風雨天氣等環境因素延遲。由於這種不可避免的延遲，無人機可能會無意中提交一個新的軌跡，使其處於碰撞的軌道上。

Robust MADER可以徹底防止這種碰撞，因為每個代理有兩條可用的軌跡。它保留一條它知道是安全的軌跡，它已經檢查過潛在的碰撞。在沿著原來的軌跡飛行時，無人機優化了一條新的軌跡，但在完成延遲檢查步驟之前，它會不承諾使用新的軌跡。

在延遲檢查期間，無人機花了固定的時間反複檢查來自其他代理的通信，以了解其新軌跡是否安全。如果它檢測到潛在的碰撞，它就放棄新的軌跡，重新開始優化過程。延遲檢查期的長度取決於代理之間的距離和可能妨礙通信的環境因素。例如，如果代理之間相距數英里，那麼延遲檢查期就需要更長。

徹底消除碰撞

研究人員通過運行數百次模擬來測試他們的新方法，其中他們人為地引入了通信延遲。在每次模擬中，Robust MADER都能100%成功地生成無碰撞軌跡，而所有的基線都會造成碰撞。

研究人員還建造了六架無人機和兩個空中障礙物，並在一個多代理人飛行環境中測試了Robust MADER。他們發現，雖然在這種環境中使用原始版本的MADER會導致七次碰撞，但Robust MADER在任何硬件實驗中都沒有引起一次崩潰。

“在你實際飛行硬件之前，你不知道什麼可能導致問題。因為我們知道模擬和硬件之間是有區別的，所以我們使算法變得強大，所以它在實際的無人機中工作，在實踐中看到這一點是非常有意義的，”Kondo說。

使用Robust MADER，無人機能夠每秒飛行3.4米，儘管它們的平均旅行時間比一些基線略長。但沒有任何一種方法在每個實驗中都能做到完全無碰撞。

在未來，Kondo和他的合作者希望將Robust MADER放到戶外進行測試，因為那裡有許多障礙物和噪音類型會影響通信。他們還希望為無人機配備視覺傳感器，以便它們能夠檢測到其他代理或障礙物，預測它們的運動，並將這些信息納入軌跡優化。