无人机，跑起来

郑晶敏

因战争需要而诞生的无人机现在越来越频繁地出现在人们的日常生活中。

与军用无人机相比，民用无人机小巧的身躯让它能应对各种场景。人们用它航拍、送快递甚至救灾，但续航能力一直是无人机的短板—相信你也看到过不少无人机在空中因耗尽电量而掉落的消息。

麻省理工学院计算科学与人工智能实验室（Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory，以下简称CSAIL）的科学家正在想办法解决这个问题。他们研发了一款带轮子的无人机，将其命名为Crazyflie。它最大的特点是，有4个旋翼和2个轮子，不仅能在天上飞，还能在地面上跑。

Crazyflie的设计灵感来自鸟类—这并不奇怪，一百多年前人类就通过模仿鸟类发明了飞机，但却忽略了鸟类的另一个能力—行走和攀爬。这正是Crazyflie需要弥补的缺陷。

“擅长一种交通方式的机器通常不擅长另一种交通方式，”MIT研究员Adam Conner-Simons对《第一财经周刊》说，“无人机快速灵活但续航时间短，车辆相对来说更节能但速度慢，我们则在尝试将两者结合。”

从外观上看，Crazyflie与普通无人机并无太大区别—除了底部多了2个轮子。事实上，就像飞行汽车不是“把机翼装在汽车上”那么简单，要让无人机从飞行模式转换成陆地行驶模式，也不是装2个轮子就能搞定的。

相比空中，地面的交通状况要复杂得多。在无人驾驶的情况下，Crazyflie需要适应各种地面环境，规避障碍物，以及识别交通是否拥挤—一旦遭遇堵车，Crazyflie就能立即起飞以节约时间。所以，信息处理是一个关键问题。为此CSAIL团队开发了一种运动规划算法，帮助Crazyflie在起点和终点之间规划最佳路径。

现在的Crazyflie已经是2.0版本。初代Crazyflie使用的路径规划算法基于CSAIL于2016年研发的“分散化控制算法”。这种算法最初应用于机器人编队。以往采用的“中央控制算法”虽然操作简单且效率更高，但只要一个点出现故障就会影响全局。分散化控制算法则将决策权分散给编队中的每一架无人机，一定程度上避免了相互干扰。

除了让无人机从“执行者”变为“决策者”，分散化控制算法最大的优势是同一编队的无人机之间还可以互相沟通。此前，每一架无人机都只能感知自己周围环境的信息，使用分散化控制算法的通信系统却能让它们互相传递信息，以实现编队有序运行。

也正因为如此，CSAIL的研究员将Crazyflie称为机器人（Robert），而不仅仅是无人机。不过需要注意的是，目前，这些“机器人”还只能与其附近的同伴分享信息，而不是任意2个“机器人”都能相互沟通。这样做是为了减少信息冗余，避免过多的信息对无人机的决策造成干扰。

无人机感知到的信息之间会以3D地图的形式互相传递，但信息传递过程中有时间差，如果遇到突发状况，无人机很有可能来不及更换路线。为了避免这种状况，研发人员在该算法中加入了时间维度—根据移动障碍物的运动速度来预测其运动轨迹，并及时更新自身运动路线。

这在无人机领域是一个突破。毕竟无人机在空中飞行时面临的不确定因素太多了。尤其是无人机编队，不仅要避免障碍物，还要防止无人机相撞。而陆空两用无人机对分散化控制算法的精度提出了更高要求。

为了确保算法在实际操作中可行，CSAIL做了一个实验。研究人员搭建了一个模拟城市交通系统的沙盘模型，按比例规划了街道、绿地、建筑、机场等场所。共有8辆无人机参与实验，分散控制算法事先为它们规划好了路线。在实验中，研究人员发现无人机在交通状况良好的陆地上选择的是行驶模式，当碰到建筑或者其他障碍物时会切换成飞行模式。最让研究者兴奋的是，8辆无人机很好地完成了信息交互。

陆空无人机不仅操作更加灵活，其电池的使用寿命和效率也比纯飞行功能的无人机更具优势。Adam Conner-Simons告诉《第一财经周刊》，“Crazyflie电池的续航时间是普通无人机的8.4倍，相比初代Crazyflie，其续航能力又提升了7.4倍。”

人类对海陆空多用交通工具的追求似乎从没停止过，比如汽车制造商一直痴迷于制造飞行汽车。今年4月，Uber曾公开表示计划在2020年之前实现无人驾驶飞行汽车项目。此外，空客以及硅谷的一家初创公司Kitty Hawk等也在研发空中飞行汽车。飞行车这种常出现在科幻小说中的交通工具，直观来看能够减轻地面交通负担、提高出行效率，但实行起来难度不小。

CSAIL提供了一种新的解决方案—比起将身躯庞大的汽车送上天，让小巧的无人机落地或许更加简单。

Crazyflie描绘了一幅未来交通蓝图—无人驾驶交通工具同时出现在陆地和空中，当地面交通拥挤时，他们能自由切换行进方式并规划路线。“Crazyflie未来将参与到智能城市交通和无人驾驶等领域的研究。”Adam Conner-Simons说。

此外，陆空两用无人机在商业应用方面也能发挥更大价值。目前无人机应用较多的领域是航拍和无人机快递。Google地图和百度地图的街景都需要航拍，至于送快递，亚马逊和顺丰等公司也已经开始尝试。Crazyflie的续航能力使其大大提高了工作效率—减少了因电量不足而耗费的时间成本，工作范围也得到拓 宽。

此外，陆空无人机在参与抢险救灾时也比纯飞行功能的无人机更能发挥作用。“它可以进入建筑区者偏僻道路附近的灾难区，也能通過地面上的狭小空间，及时运送物品或发现被困人员。”Adam ConnerSimons 说。

虽然陆空无人机的商业前景有非常多的可能性，但Adam Conner-Simons透露，目前Crazyflie还处于雏形阶段，离真正上路还有一段时间。况且无人驾驶技术还要面临严格的监管措施。“Crazyflie已经在平坦的道路上通过测试，下一步我们要让它适应崎岖的地形。”