無人機可以深入肆虐的野火中心，避開突發的火勢爆發並躲避墜落的樹枝，為救援人員收集關鍵資訊。但在這種危險環境下，無人機很容易被墜落的碎片損壞或摧毀。
無人機及依賴它工作的救援人員，都將從一種全新的自主導航系統中受益，這種系統能夠保證即便在完全陌生的環境中也不會發生碰撞。
麻省理工學院的研究人員開發出一種方法，可以為無人機規劃飛行路徑，使其躲避可能以不可預測方式移動的未知障礙物。該方法能夠在未繪製地圖的環境中規劃出高效路線，並從數學上證明該路線不會發生碰撞。
許多流行的導航系統只能在環境靜止或障礙物事先已知的情況下，提供正式的安全保證。
通過讓無人機在探索環境的同時躲避移動中的障礙物，這一被研究人員稱為「SANDO
」（即「動態未知環境下的安全自主軌跡規劃」）的軌跡規劃器，可以在搜救坍塌建築、礦井隱藏隧道探測或擁擠社區包裹配送等應用場景中發揮特殊作用。
「在最困難的環境中，無人機沒有該區域的地圖，周圍還存在未知的移動障礙物，我們建立了數學上的安全保證。規劃器唯一需要知道的資訊，就是障礙物可能達到的最高速度。有了這個資訊，你就可以在任何環境中使用它，即便沒有地圖，你也能確信無人機不會撞上任何東西。」剛在麻省理工學院航空航天系獲得博士學位的近藤航太（Kota Kondo）說道，他是這項新系統研究論文的第一作者。
與他共同完成這篇論文的還有馬德里科米亞斯庭大學（Comillas Pontifical University）助理教授赫蘇斯·托德西拉斯（Jesús Tordesillas）；麻省理工學院研究生胡安·拉切德（Juan Rached）、孫莉莉（Lili Sun）和賈一軒（Yixuan Jia）；以及論文的高級作者強納森·P·豪（Jonathan P. How），他是麻省理工學院航空航天學福特教授，同時也是資訊與決策系統實驗室（LIDS）和航空航天控制實驗室（ACL）的首席研究員。該研究發表在《IEEE機器人學彙刊》上。
安全第一
軌跡規劃器利用無人機機載攝影機和傳感器獲取的圖像與數據，來規劃能夠到達目標地點的飛行路徑。
現有的大多數規劃器，要麼是針對障礙物不移動的未知靜態環境設計的，要麼是在動態障礙物環境中進行粗略規避，而無法提供機器人不會發生碰撞的正式保證。
在高風險場景中，正式的安全保證非常重要，比如無人機需要將醫療物資運送到偏遠的自然災害現場。但在動態環境中嘗試計算所有可能發生的碰撞情況，所需時間將遠超實際部署的需求。
「在未知的動態環境中，你沒有太多可以依賴的假設。在這類環境中，研究人員此前還無法從數學上保證一條軌跡是安全的。」近藤解釋道。
麻省理工學院的研究人員採用嚴格的數學方法開發了SANDO這一安全軌跡規劃器。他們從理論上證明，該算法計算出的軌跡始終能夠保證在未知環境中避免與移動障礙物發生碰撞。
SANDO首先會在機器人所處的環境中規劃出一條安全走廊。這條走廊是由一系列相連的三維空間區域組成的，機器人可以在其中通行，並且能夠保證不會包含任何障礙物。
但與其他系統不同的是，SANDO創建的是一條具有時間敏感性的安全走廊，它會考慮動態障礙物未來可能的運動情況。該系統採用一個專門模組來檢測、歸類並監測動態障礙物，以估算它們接下來會如何移動。
雖然系統無法確切知道障礙物未來會移動到哪裡，但它會利用該障礙物的最大速度，計算出在特定時間段內它可能移動的最遠距離。系統會在障礙物周圍設置一個球形區域，涵蓋其在各個方向上可能到達的最遠距離。
SANDO會圍繞這些球形區域構建安全走廊，以確保無人機不會與移動物體發生碰撞。
「在現實世界中，障礙物是會移動的，所以你在某一時刻創建的安全走廊，當事物移動進入走廊後就不再適用了。但由於我們考慮了時間這一因素，現在我們就能夠保證未來的安全。」近藤說道。
該系統使用基於熱力圖的規劃器，來識別環境中存在大量障礙物的「熱點」區域，並引導無人機遠離這些危險區域。這有助於機器人規劃出更高效的路線來繞開危險地帶。
快速反應
一旦建立起無碰撞的安全走廊，SANDO就會在該走廊內對軌跡進行優化，以找到到達目標地點的最快路徑。
在機器人移動過程中，SANDO會不斷調整安全走廊並重新規劃軌跡，以確保機器人的路徑在到達目標之前始終保持無碰撞狀態。
研究人員採用了一些技巧，使優化問題更易於求解，這樣無人機就可以使用機載電腦快速重新計算軌跡，對突發變化做出快速反應。
「開發SANDO最困難的部分在於數學計算，」近藤說道，「當你試圖保證安全性時，你需要非常嚴謹，確保你的理論覆蓋了所有可能的情況，甚至是邊緣情況。一旦我們獲得了數學上的安全保證，操控無人機飛行就變得非常容易了。」
在仿真測試中，SANDO比多個最先進的系統更快地到達機器人的目標地點，同時在所有環境中完全避免了碰撞。
在使用真實無人機進行的12次測試飛行中，SANDO也藉助機器人的機載電腦和傳感器，快速重新規劃安全軌跡，成功避開了所有動態障礙物。
未來，研究人員可以進一步提升SANDO的計算效率，並將該系統與機器學習模型相結合，使用戶能夠用自然語言向機器人下達指令。
自主飛行領域的一個核心挑戰在於，規劃時安全的路徑可能會隨著環境變化而變得不再安全。SANDO通過採用隨時間變化的安全飛行走廊以及支持機載頻繁重新規劃的硬約束軌跡優化方法，解決了這一挑戰。該系統將時空規劃、正式安全性分析與硬體驗證相結合，為在複雜動態環境中實現自主飛行提供了一種切實可行的方法。」中國浙江大學副教授高飛（未參與此項研究）表示。
本研究部分資金由新加坡國防科技局提供。
Q&A
Q1：SANDO系統是什麼？它有什麼用？
A：SANDO是麻省理工學院研究人員開發的一種無人機自主軌跡規劃系統，全稱為「動態未知環境下的安全自主軌跡規劃」。它能夠為無人機規劃飛行路徑，使其在完全陌生且存在移動障礙物的環境中，從數學上保證不會發生碰撞，適用於搜救、礦井探測、包裹配送等場景。
Q2：SANDO系統如何保證無人機不會撞上移動的障礙物？
A：SANDO會構建一條具有時間敏感性的安全走廊。系統利用障礙物的最大速度，計算出其在特定時間內可能移動的最遠距離，並在障礙物周圍設置球形安全區域，據此構建走廊，確保無人機的飛行路徑始終避開這些區域。
Q3：SANDO系統需要提前知道環境地圖嗎？
A：不需要。SANDO專門針對完全未知的動態環境設計，無人機無需事先獲得該區域的地圖，系統唯一需要的資訊是障礙物可能達到的最高速度，有了這一資訊即可保證無人機不會發生碰撞。
