“快速輕量自主”（FLA）項目于2015年啟動，致力于發(fā)展全新算法，使小型無人機僅憑所搭載的高分辨攝像機、激光雷達、聲吶或慣性測量單元，便可在房間等設(shè)障環(huán)境中自主導(dǎo)航飛行、搜集態(tài)勢感知數(shù)據(jù)。該項目在2016年利用商用四旋翼無人機在設(shè)置障礙物的機庫內(nèi)進行了驗證試驗，達到了20米/秒的飛行速度指標。未來，項目將繼續(xù)優(yōu)化避障算法，擴展感知范圍，以更好進行急轉(zhuǎn)彎等快速機動動作。

  Fast Lightweight Autonomy項目背景

  DARPAFLA項目推動發(fā)展的技術(shù)，能夠讓小型四旋翼無人機通過機載相機、傳感器以及智能的自主導(dǎo)航算法，以20米/秒的速度（約合72千米/時）穿過雜亂的建筑物和存在障礙的環(huán)境。

  該技術(shù)的潛在應(yīng)用包括：在軍事人員進入建筑物前對其內(nèi)部進行快速的掃描，在從空中的視線會被樹冠遮擋的森林密布區(qū)或叢林中尋找被擊落的飛行員，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生后進入受損建筑物尋找幸存者等。

  FLA的目標是開發(fā)一種先進的算法，使無人機或無人車輛能夠在沒有人類操作員、GPS或任何數(shù)據(jù)鏈的引導(dǎo)下自主運行。這樣無人機就能夠在室內(nèi)、地下或人為干擾等無法使用GPS的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)。

  該計劃側(cè)重于自主性，而不是在飛行平臺上，其中“自主”包括感知，感知，規(guī)劃和控制。

  DARPA正在使用商業(yè)四轉(zhuǎn)臺平臺上的定制有效載荷，開發(fā)和演示自主飛行能力。FLA計劃的初始重點是無人機，但通過該計劃的進展可能會應(yīng)用于地面、海洋和水下系統(tǒng)。

  FLA項目中，唯一需要的人為參與的是放入無人機搜索的目標（可能是在飛行前以數(shù)字圖片的形式上傳到機載計算機中）以及估計目標的方向和距離。如果可能的話，可上傳該地區(qū)的地圖或衛(wèi)星圖片。當操作者給出發(fā)射命令后，飛行器必須自動導(dǎo)航飛向目標，而不需要地形或環(huán)境信息，自主地圍繞未知障礙物進行機動，并根據(jù)需要尋找替代路徑。

  飛行器硬件系統(tǒng)

  飛行器的嵌入式計算系統(tǒng)能夠提供所需的核心計算能力，這對于飛行器在雜亂環(huán)境中進行高速自主飛行的能力至關(guān)重要。嵌入式系統(tǒng)與內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器與3DR Pixhawk自動駕駛儀連接。下圖為FLA飛行器和地面站系統(tǒng)的主要硬件、軟件組件。

  快速輕量自主項目第一階段

  2017年6月，在經(jīng)過一系列障礙物飛行測試后，DARPA的快速輕量自主（FLA）項目第一階段宣告結(jié)束。由DARPA支持的三個小組的研究人員聚集在佛羅里達州，對四軸無人飛行器進行了測試試驗。

  測試結(jié)合了前三次飛行實驗的結(jié)果，一起測試了真實環(huán)境中的算法和魯棒性，如從陽光明媚到黑暗建筑內(nèi)部的快速調(diào)整、感測和避免各類障礙物、在無特征的環(huán)境中穿越漫長距離。在最后一天，這架飛機必須依靠自身穿過一個樹木繁茂的區(qū)域和一個飛機場，找到黑暗機庫敞開的一扇門，圍繞架設(shè)在在機庫內(nèi)部的墻壁和障礙物進行機動飛行，找到一個紅色的化學桶作為目標，并飛回到起點。

  試驗成功很大程度上取決于出色的編程。FLA項目不是為了開發(fā)新的傳感器技術(shù)，或者通過增加計算能力來解決自主導(dǎo)航和障礙規(guī)避問題，其關(guān)鍵是使用低成本的慣性測量單元和市面上的四旋翼無人機來滿足能力需要，因此該項目更側(cè)重于開發(fā)一種實時高速、能夠與小型低功耗單板計算機共同工作的新算法。

  快速輕量自主項目第二階段

  2018年7月，F(xiàn)LA項目完成了第二階段的飛行測試，研究人員演示最新FLA軟件在模擬城市環(huán)境中，在沒有人類幫助的情況下執(zhí)行現(xiàn)實世界的任務(wù)。其展示的先進算法可以將小型空中和地面系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏灾鲌?zhí)行危險任務(wù)的編隊成員——例如在充滿敵軍的城市環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的先前偵察，或者在地震后搜索受損建筑物以尋找幸存者。

  為使更小、更輕的四軸無人機取得更好的性能，研究人員基于2017年第一階段飛行測試，改進了軟件，使用了商業(yè)傳感器，在佐治亞州佩里的監(jiān)護中心培訓基地的模擬城鎮(zhèn)進行了空中測試，測試的場景包括城市室外和室內(nèi)，取得了重大進展，包括：

  在第二階段，來自麻省理工學院和德雷珀實驗室（MIT/Draper）的工程師團隊為使無人機速度增加，減少了機載傳感器的數(shù)量，以減輕無人機的重量。在飛行試驗中，研究人員成功地演示了對模擬城鎮(zhèn)周邊不同位置汽車的自主識別。在“探索模式”下，無人機對車輛進行識別，并通過Wi-Fi實時提供可點擊的高分辨率圖像，同時可在手持設(shè)備上的ATAK地理數(shù)字地圖上顯示。

  發(fā)展意義

  “快速輕量自主”（FLA）項目研究了非傳統(tǒng)感知和自主方法，為不確定環(huán)境中高速無人機進行導(dǎo)航，開發(fā)的算法可以使小型無人機借助自身攜帶的各種傳感器，在雜亂無章的建筑物內(nèi)和障礙遍布的環(huán)境下實現(xiàn)自主完成任務(wù)。該項目已開發(fā)先進的自主算法使得無人機具有繪制三維地圖與記憶環(huán)境的功能，這使得它可以在沒有任何通信等外界支撐的情況下執(zhí)行和完成任務(wù)，并且自己能回到出發(fā)點以供人員下載偵查信息。同時手持設(shè)備ATAK可通過Wi-Fi與無人機載荷進行數(shù)據(jù)同步。這些自主能力減少了被無線電檢測的幾率，很大程度上提升了它的生存能力和安全性。