斯坦福大学的工程师们正在开发一种软件，用于预测和防止包括投递无人机在内的无人机在拥挤的城市空域发生碰撞。资料来源:切斯基/ Shutterstock
2013年底，杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)在《60分钟》(60 Minutes)节目中公布了无人机给亚马逊(Amazon)客户递送包裹的愿景，许多人觉得这是科幻小说。不到两年后，无人机不仅将成为一种投递包裹的技术，还将成为一种监测农业、在城市环境中收集新闻、甚至执行搜索和救援任务的技术。
但在无人机航空可能变得普遍之前，必须开发一个新的基础设施来定义飞行的低空途径，规范拥塞区域的流量并防止碰撞。
在这方面，斯坦福智能系统实验室(SISL)是美国宇航局艾姆斯领导的广泛合作伙伴关系的一部分，以创建一个无人空中系统交通管理系统，或UTM，以管理预计激增的无人飞行。
“UTM本来旨在满足空中交通管制的许多功能，但它将在云端和大幅度自动化，”Sisl Directory Mykel Kochender Fers，Aerconnutics and Strontonyics助理教授。
NASA的设想是，UTM系统将能够支持大量无人机操作的协调，而无需空中交通管制操作员监控空中的每一辆车辆。该系统的一个关键特性是自动避免冲突——当可能发生冲突时，可以向多架无人机发出警报，并计算避免冲突所需的机动。
Kochenderfer最近将一篇新的论文与机械工程研究生Hao Yi Ong进行了详细，其中它们详细阐述了冲突算法，当在UTM系统内实现时，将最大限度地减少低海拔无人碰撞的威胁。
Ong说，预计的无人机数量将使复制人工操作的无人机变得不切实际空中交通管制系统调节无人机航班。
今天，联邦航空管理局有15,000人控制人，每天管理大约87,000个试点驱动的航班。
单是亚马逊的无人机预测就足以让这些数字相形见绌。Ong保守估计，亚马逊Prime的约4000万订户每个正常购物日可以产生13万次无人机送货。这还不包括谷歌和Matternet等数十家也在开发商用无人机的公司。
Ong说:“你不会再雇佣3万人来处理无人机带来的交通问题。”“这是不可行的。”
避免冲突
NASA的设想是，基于云的、很大程度上自主的UTM系统将在一系列的四个版本中推出，功能将不断增强。今年8月发布的第一个版本主要侧重于地理围栏——无人机飞行的基于gps的走廊——以保持安全和效率。
“这适用于农业应用程序，”Ong说。但是一旦你想在城市地区周围开始移动运输无人机，你就无法真正这样做，因为当你的飞机飞过时，你就不会阻止整个住宅区的空域。“
斯坦福队认为，自动冲突避免是在拥挤地区实现更大的航班密度的最佳方式。但是，自动化冲突避免处理无人机流量的量将需要新的算法来预测和避免潜在的碰撞。
之前，当Kochenderfer在麻省理工学院林肯实验室工作时，他开发了一种新的方法避碰该系统正被纳入下一代载人飞机系统ACAS X，可能成为此类协议的基石。该系统采用一个称为动态规划的过程来确定最优的避碰策略。在ACAS X中，该软件会提醒操作员潜在的风险，并建议操作以避免碰撞。其结果是，该系统大大提高了安全性，同时减少了不必要的警报数量。
“美国联邦航空局对结果非常满意，并支持进一步发展，”Kochenderfer说。实际上，ACAS X系统目前由FAA和国际安全社区标准化。
殴打'维度的诅咒'
Ong采用了ACAS X的一些技术，并将其用于开发无人驾驶飞机的自动冲突避免系统。但是预期的无人机飞行密度为SISL团队创造了一个全新的复杂性水平。
Ong说:“在传统航空领域，两架以上飞机之间的冲突是非常罕见的。”
但在受限的城市空域，冲突很容易涉及三架或更多的无人机。例如，考虑几个包裹被送到同一个地址。或者想象一下，一场大火吸引了消防部门、警方和当地媒体的多架无人机。
“随着飞机的数量增长，避免问题变得令人指重更加复杂，数学家称之为维度诅咒的挑战，”Ong说。“所以我们必须提出更好的方式，而不是只是蛮力搜索和迭代所有可能的解决方案。”
要击败诅咒，Ong的云计算架构将多飞机冲突分离成配对的问题。它可以从预测每个无人机飞行路径的表中快速选择每对无人机的最佳动作。然后，服务器协调这些成对解决方案中的每一个，并向所有受影响的无人机发出联合碰撞避免顺序。
在毫秒的问题中，交付圣诞节前夕包的十几种无人机将准确地了解，以确保每个人都享受一个拥挤的Cul-de-sac的安全飞行路径。
为了测试这种方法，研究人员在两到10架飞机之间遇到了超过100万次遇到的模拟。它们将它们的成对解决方案与其他解决方案进行了比较，例如较少协调的策略，其中每个无人机只对其最接近的威胁作出反应。它们的成对解决方案显示出显着的安全改进，更快的决策时间和减少警报率。
Ong和Kochenderfer说，还有更多的工作要做，例如，解释通信故障、突然的天气异常或故意破坏无人驾驶飞机．但他们预计，他们的架构的进化版本将在UTM的最终构建之一中实施，NASA估计将在2019年完成。
“这是可喜的工作一个人走到一起,敲头的问题,找出最好的解决方案,即使实际上没有一个有利可图的飞行,”昂说,他的工作是公认的最好的9月研究生论文数字航空电子系统在布拉格举行的会议。
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