训练无人机快速飞行，绕过哪怕是最简单的障碍物，这是一项容易发生坠机的训练，工程师们可能会以令人沮丧的规律维修或更换车辆。
现在，麻省理工学院的工程师们已经开发了一种新的无人机虚拟现实训练系统，可以让无人机在空旷的物理空间中飞行时“看到”丰富的虚拟环境。
该团队将该系统命名为“飞行护目镜”，可以显著减少无人机在实际训练过程中遭遇的坠机事件。它还可以作为任何环境和条件的虚拟试验台，研究人员可能想在其中训练快速飞行的无人机。
麻省理工学院(MIT)航空航天副教授塞尔塔克•卡拉曼(Sertac Karaman)表示:“我们认为，这是无人机技术发展的一个转折点，因为无人机的速度很快。”“如果有什么不同的话，那就是该系统能让自动驾驶汽车反应更快、效率更高。”
卡拉曼和他的同事将在下周的IEEE机器人与自动化国际会议上展示他们的虚拟训练系统的细节。合著者包括麻省理工学院信息和决策系统实验室的Thomas sayer - mccord, Winter Guerra, Amado Antonini, Jasper Arneberg, Austin Brown, Guilherme Cavalheiro, Dave McCoy, Sebastian Quilter, Fabian Riether, Ezra Tal, Yunus Terzioglu和Luca Carlone，还有麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的方亚军和桑迪亚国家实验室的亚历克斯·戈罗德茨基。
不断超越自己
卡拉曼最初的动机是一种新的、极端的机器人运动:竞争性的无人机竞赛，在这个竞赛中，由人类玩家驾驶的遥控无人机试图在错综复杂的窗户、门和其他障碍中超越对方。卡拉曼想知道:无人驾驶飞机是否可以训练得和人类控制的飞行器一样快，甚至更快，而且精度和控制力更高?
卡拉曼说:“在接下来的两三年里，我们想用一架自主无人机参加无人机竞赛，打败最优秀的人类玩家。”要做到这一点，团队必须开发一套全新的训练方案。
目前，训练无人驾驶飞机是一项体力工作:研究人员在大型封闭测试场地驾驶无人驾驶飞机，他们经常挂大网捕捉任何倾斜的车辆。他们还设置了一些道具，比如窗户和门，无人机可以通过这些道具学习飞行。当车辆发生碰撞时，它们必须被修理或更换，这就延误了开发，增加了项目的成本。
卡拉曼说，用这种方式测试无人机可以适用于飞行速度不高的车辆，比如被编程为缓慢绘制周围环境的无人机。但是对于快速飞行的飞行器，当它们在环境中飞行时，需要快速处理视觉信息，一种新的训练系统是必要的。
卡拉曼说:“当你想要进行高吞吐量计算并快速飞行时，即使对环境做出最轻微的改变，也会导致无人机坠毁。”“你在那种环境下是学不到东西的。如果你想突破计算速度的极限，你就需要某种虚拟现实环境。”
飞行护目镜
该团队的新虚拟训练系统包括一个动作捕捉系统、一个图像渲染程序和电子设备，使团队能够快速处理图像并将它们传输给无人机。
真正的测试空间是麻省理工学院新大楼里一个类似机库的体育馆无人机测试设施在31号楼-配有动作捕捉摄像头，可以在无人机飞行时跟踪无人机的方向。
通过图像渲染系统，卡拉曼和他的同事可以绘制出逼真的场景，比如阁楼公寓或客厅，并在无人机飞过空设施时将这些虚拟图像发送给它。
卡拉曼解释说:“无人机将在一个空房间里飞行，但将会在一个完全不同的环境中产生‘幻觉’，并在那个环境中学习。”
无人机可以以每秒90帧的速度处理虚拟图像，大约是人眼看到和处理图像速度的三倍。为了实现这一目标，该团队定制了集成了一个强大的嵌入式超级计算机、惯性测量单元和摄像头的电路板。他们将所有这些硬件安装在一个小型的，3d打印的尼龙和碳纤维增强无人机框架中。
速成班
研究人员进行了一系列实验，其中一项是让无人机学会通过一个两倍于自己大小的虚拟窗户飞行。窗户被设置在一个虚拟的客厅里。当无人机在实际的、空的测试设施中飞行时，研究人员从无人机的角度将客厅场景的图像传回到飞行器上。当无人机飞过这个虚拟房间时，研究人员调整了导航算法，使无人机在飞行中学习。
根据该设施的动作捕捉摄像头提供的定位信息，这架无人机以每秒2.3米(每小时5英里)的速度飞行了10次，成功飞过虚拟窗户361次，只“撞”了窗户3次。卡拉曼指出，即使无人机坠毁数千次，也不会对开发成本或时间造成太大影响，因为它是在虚拟环境中坠毁的，与现实世界没有任何物理接触。
在最后的测试中，该团队在测试设施中设置了一个实际的窗口，并打开无人机的机载摄像头，使其能够看到和处理它的实际环境。利用研究人员在虚拟系统中调整的导航算法，无人机飞行了8次，能够飞过真实的窗户119次，只有6次坠毁或需要人工干预。
卡拉曼说:“现实中也是如此。”“这是我们在虚拟环境中编程让它做的事情，通过犯错、崩溃和学习。但在这个过程中，我们并没有打碎任何玻璃。”
他说，虚拟培训系统具有很强的可塑性。例如，研究人员可以在他们自己的场景或布局中训练无人机，包括详细的、无人机绘制的真实建筑的复制品——这是该团队正在考虑与麻省理工学院的Stata中心一起做的事情。该训练系统还可能用于测试新的传感器，或现有传感器的规格，以了解它们如何处理快速飞行的无人机。
“我们可以在虚拟环境中尝试不同规格的传感器，然后说，‘如果你建造一个有这些规格的传感器，在这种环境下它将如何帮助无人机?”Karaman说。
该系统还可以用来训练无人机在人类周围安全飞行。例如，卡拉曼设想将实际的测试设施分成两部分，其中一半由无人机飞行，另一半由身穿动作捕捉套装的人行走。当无人机在自己的空间飞行时，它将在虚拟现实中“看到”人类。如果它撞到人，结果是虚拟的，无害的。
卡拉曼说:“有一天，当你真正有信心的时候，你可以在现实中做到，让无人机以一种安全的方式绕着一个正在奔跑的人飞行。”“在整个虚拟现实中，你可以做很多令人费解的实验。随着时间的推移，我们将展示你能做的所有事情。”
这项研究得到了美国海军研究办公室、麻省理工学院林肯实验室和英伟达公司的部分支持。
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