「拓展無人機(jī)自主飛行的能力邊界」目錄01 DPNet預(yù)判看不見的死胡同實(shí)現(xiàn)主動規(guī)避而非事后補(bǔ)救行業(yè)固有路線的短板02 AgilePE自博弈強(qiáng)化學(xué)習(xí)端到端無人機(jī)追逃對抗03 兩套系統(tǒng)定位、邊界與行業(yè)位置04 寫在最后浙江大學(xué)高飛團(tuán)隊近期發(fā)布兩篇工作DPNet面向靜態(tài)復(fù)雜環(huán)境通過輕量網(wǎng)絡(luò)預(yù)判視場外的死胡同結(jié)構(gòu)生成虛擬障礙屏障讓規(guī)劃器主動繞開陷阱機(jī)載50Hz高頻重規(guī)劃AgilePE面向動態(tài)對抗場景基于優(yōu)先虛擬自博弈PFSP完成端到端追逃強(qiáng)化學(xué)習(xí)直接輸出底層總推力機(jī)體角速度指令仿真訓(xùn)練完零樣本遷移真實(shí)無人機(jī)涌現(xiàn)出側(cè)翼包抄、側(cè)向震蕩躲閃等博弈戰(zhàn)術(shù)。兩篇工作分別覆蓋「環(huán)境驅(qū)動的安全導(dǎo)航」和「對手驅(qū)動的對抗博弈」均不依賴實(shí)機(jī)標(biāo)注微調(diào)把感知預(yù)測、規(guī)劃、仿真?實(shí)機(jī)遷移完整打通代表小型自主無人機(jī)兩套不同的技術(shù)演進(jìn)路線。01 DPNet預(yù)判看不見的死胡同實(shí)現(xiàn)主動規(guī)避而非事后補(bǔ)救行業(yè)固有路線的短板傳統(tǒng)應(yīng)對死胡同的方案分為兩類但都屬于事后反應(yīng)式處理一類是被困之后執(zhí)行后退、旋轉(zhuǎn)等恢復(fù)機(jī)動飛行軌跡被打斷任務(wù)連續(xù)性被破壞另一類維護(hù)高精度全局拓?fù)涞貓D尋找備選路徑但建圖計算開銷巨大還會累積位姿漂移不適合算力有限的微型無人機(jī)。圖| DPNet解決的問題有限局部感知下的死胡同失效問題也有部分工作學(xué)習(xí)預(yù)測未知區(qū)域占據(jù)、前沿邊界但大多目標(biāo)是稠密重建探索計算開銷高不會專門針對死胡同這種凹形危險結(jié)構(gòu)做定向處理。死胡同不需要完整重建整個未知空間只需要拿到三件極簡信息死胡同是否存在、相對距離、方位角就足夠約束規(guī)劃器。DPNet 沿著任務(wù)導(dǎo)向最小預(yù)測這個思路不做全場景重建只聚焦死胡同 hazard 預(yù)測。論文在貢獻(xiàn)聲明中明確寫道據(jù)我們所知這是首個針對視覺無人機(jī)導(dǎo)航顯式處理主動死胡同規(guī)避的工作。整套系統(tǒng)由三部分構(gòu)成雙分支死胡同預(yù)測網(wǎng)絡(luò)、虛擬障礙屏障生成、死胡同感知的軌跡庫碰撞檢測。1雙分支輕量預(yù)測網(wǎng)絡(luò)RGB分支、深度分支兩套編碼器分別提取語義特征和幾何結(jié)構(gòu)特征特征拼接融合之后分兩個輸出頭掩碼頭輸出二值掩碼標(biāo)記死胡同像素區(qū)域深度頭回歸對應(yīng)區(qū)域距離逐像素相乘之后只保留死胡同區(qū)域的有效深度。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完全依靠仿真自動標(biāo)注數(shù)據(jù)集不需要人工打標(biāo)簽。算法依據(jù)內(nèi)角點(diǎn)、外角點(diǎn)的可見幾何規(guī)則自動生成真值掩碼區(qū)分“可推斷”和“歧義不可推斷”樣本規(guī)避標(biāo)簽噪聲。RGB編碼器復(fù)用DINOv3預(yù)訓(xùn)練權(quán)重并凍結(jié)權(quán)重只微調(diào)深度分支這一非對稱微調(diào)策略是實(shí)現(xiàn)sim?zero?shot的關(guān)鍵防止網(wǎng)絡(luò)過擬合仿真紋理。圖| DPNet系統(tǒng)整體框架總覽2虛擬障礙屏障生成網(wǎng)絡(luò)輸出的死胡同像素投影到三維空間取最小預(yù)測深度構(gòu)建平行于圖像平面的平面虛擬障礙再通過MLS點(diǎn)云上采樣生成致密點(diǎn)云和原始深度點(diǎn)云融合成統(tǒng)一的局部障礙物點(diǎn)云。這個虛擬屏障并不是真實(shí)物理物體是給規(guī)劃器的“警示墻”阻止軌跡駛?cè)胨篮肟凇?死胡同感知的軌跡篩選與重進(jìn)入抑制DPNet基于預(yù)計算運(yùn)動基元軌跡庫做碰撞檢測融合虛擬障礙后的點(diǎn)云做碰撞校驗把所有會撞上虛擬屏障的軌跡直接剪枝。這里存在一個特殊工程問題無人機(jī)飛過去之后死胡同離開視場虛擬屏障消失貪心規(guī)劃器會又選一條折返沖回死胡同的軌跡。論文新增平滑一致性代價項懲罰航向角突變抑制“二次闖入”陷阱。圖| 普通碰撞檢測與死胡同感知碰撞檢測對比仿真設(shè)置簡單分為簡單、困難兩個等級對比EGO?Planner、Primitive?Planner、Faster三套主流本地規(guī)劃器。簡單場景DPNet成功率100%困難場景依然保持99%成功率對比基線Faster平均飛行時間縮短25%左右。基線方案要么撞毀要么觸發(fā)后退恢復(fù)機(jī)動飛行距離和耗時顯著增加。機(jī)載Jetson Orin NX完整流水線穩(wěn)定50Hz運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)推理僅9.2ms點(diǎn)云后處理2.4ms軌跡規(guī)劃5.1ms完全滿足微型無人機(jī)高速導(dǎo)航實(shí)時約束。圖| 有限局部感知條件下的算法基準(zhǔn)對比真實(shí)室內(nèi)實(shí)驗表明DPNet可以區(qū)分真正死胡同和中間存在可通行缺口的“形似死胡同”不會錯誤設(shè)置虛擬屏障允許無人機(jī)正常穿過開口通道。圖| 真實(shí)世界導(dǎo)航實(shí)驗02 AgilePE自博弈強(qiáng)化學(xué)習(xí)端到端無人機(jī)追逃對抗如果說DPNet要對抗的是靜態(tài)環(huán)境陷阱AgilePE要面對的是會主動博弈的智能對手。追逃對抗是零和博弈追蹤方需要把目標(biāo)保持在機(jī)載視錐內(nèi)并且縮短距離逃逸方要飛出對方視場拉大戰(zhàn)術(shù)距離。傳統(tǒng)方案的痛點(diǎn)微分博弈HJI方程高自由度四旋翼動力學(xué)下面臨維度爆炸很難用于真實(shí)敏捷機(jī)動MPC模型預(yù)測控制極度依賴對手運(yùn)動的精準(zhǔn)預(yù)測對手戰(zhàn)術(shù)變化則性能暴跌現(xiàn)有強(qiáng)化學(xué)習(xí)追逃大多輸出航路點(diǎn)、速度這類中間指令受中間規(guī)劃層限制無法釋放無人機(jī)全部機(jī)動能力樸素自博弈訓(xùn)練存在嚴(yán)重策略震蕩、災(zāi)難性遺忘對抗策略不斷循環(huán)無法沉淀穩(wěn)健戰(zhàn)術(shù)仿真到真機(jī)鴻溝推力延遲、機(jī)體速率滯后、傳感器噪聲仿真訓(xùn)練策略經(jīng)常真機(jī)直接失控。AgilePE完整框架分為三塊端到端敏捷控制子系統(tǒng)、雙邊對抗訓(xùn)練子系統(tǒng)、硬件對齊仿真部署子系統(tǒng)。圖| AgilePE整體框架包含三大子系統(tǒng)1端到端CTBR底層指令輸出策略網(wǎng)絡(luò)直接把觀測映射到底層控制指令總推力三軸機(jī)體角速度CTBR拋棄航路點(diǎn)、中間軌跡規(guī)劃模塊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以直接調(diào)用飛行器完整機(jī)動包絡(luò)。獎勵函數(shù)綜合追蹤博弈目標(biāo)、超速懲罰、邊界懲罰、防撞懲罰、指令平滑項。平滑獎勵是真機(jī)零樣本部署的關(guān)鍵抑制高頻抖動指令。圖| 1v1無人機(jī)追逃博弈任務(wù)定義2層級化對抗自博弈訓(xùn)練Naive?SP → FSP → PFSP論文對比了三級自博弈訓(xùn)練范式樸素自博弈Naive?SP最新追蹤者和最新逃逸者互相對抗。缺點(diǎn)非平穩(wěn)環(huán)境訓(xùn)練后期容易出現(xiàn)策略單邊崩塌逃逸方學(xué)不出有效防御戰(zhàn)術(shù)。FSP虛擬自博弈維護(hù)歷史對手策略池訓(xùn)練的時候均勻采樣歷史對手緩解震蕩但采樣沒有區(qū)分對手難度。PFSP優(yōu)先虛擬自博弈本文核心創(chuàng)新采樣概率和歷史對抗失敗率掛鉤訓(xùn)練優(yōu)先選擇最難對付的歷史對手相當(dāng)于自動課程學(xué)習(xí)加速高級戰(zhàn)術(shù)涌現(xiàn)同時保留歷史策略池防止災(zāi)難性遺忘。圖| FSP與PFSP的交叉評估收益矩陣交叉評估收益PFSP訓(xùn)練出來的追蹤者對全部歷史版本逃逸者保持82%以上視場內(nèi)捕獲率會自發(fā)涌現(xiàn)dash?and?flank側(cè)翼包抄、距離管控、側(cè)向震蕩躲閃這類人類可理解的博弈戰(zhàn)術(shù)。權(quán)衡優(yōu)先采樣困難對手會帶來戰(zhàn)術(shù)特化面對簡單腳本對手性能會輕微下降但對演化對抗對手魯棒性大幅提升。3硬件對齊仿真?實(shí)機(jī)遷移管線不使用普通物理引擎接觸求解器采用RK4四階積分直接積分機(jī)體位姿顯式建模推力45ms延遲、機(jī)體角速度30ms延遲疊加推力、機(jī)體速率乘性噪聲大量域隨機(jī)化質(zhì)量、氣動、延遲參數(shù)讓策略在訓(xùn)練階段就適應(yīng)硬件帶來的非理想特性做到零樣本遷移真機(jī)不需要微調(diào)。真實(shí)飛行動捕環(huán)境下部署在Jetson Orin NX策略推理運(yùn)行60Hz復(fù)現(xiàn)仿真里的包抄、側(cè)向躲閃戰(zhàn)術(shù)。圖| 真實(shí)追逃實(shí)驗長曝光光軌圖紅藍(lán)分別代表追蹤機(jī)、逃逸機(jī)軌跡03 兩套系統(tǒng)定位、邊界與行業(yè)位置在整個微型無人機(jī)自主智能的技術(shù)譜系上DPNet屬于感知?預(yù)測?規(guī)劃路線的延伸不去做完整稠密重建堅持“任務(wù)導(dǎo)向最小預(yù)測”給傳統(tǒng)本地規(guī)劃增加預(yù)判能力兼容現(xiàn)有運(yùn)動基元規(guī)劃棧工程落地門檻相對低。它解決的是傳統(tǒng)局部規(guī)劃“近視”問題規(guī)劃器只能看到眼前幾米DPNet幫它“多看一眼拐角后面的危險”但是只針對凹形死胡同這一類特定危險結(jié)構(gòu)。AgilePE屬于端到端強(qiáng)化學(xué)習(xí)對抗智能路線繞開傳統(tǒng)規(guī)劃、微分博弈讓戰(zhàn)術(shù)機(jī)動從對抗交互中涌現(xiàn)代價是當(dāng)前依賴完整狀態(tài)觀測如果要完全脫離動捕后續(xù)需要接入視覺感知模塊。兩篇工作共同的亮點(diǎn)訓(xùn)練全部可以在仿真完成真機(jī)不需要重新采集數(shù)據(jù)和微調(diào)這對于小型無人機(jī)非常關(guān)鍵——真機(jī)高速機(jī)動實(shí)驗炸機(jī)風(fēng)險高硬件損耗成本昂貴。04 寫在最后DPNet和AgilePE代表小型自主無人機(jī)兩個重要的技術(shù)方向一個面向環(huán)境帶來的危險用輕量感知預(yù)測彌補(bǔ)傳感器視場的局限性改良傳統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)追求安全可靠的A?B點(diǎn)導(dǎo)航另一個面向?qū)κ謳淼牟┺挠脤箯?qiáng)化學(xué)習(xí)挖掘飛行器機(jī)動極限讓無人機(jī)學(xué)會復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)對抗。兩者都貫徹了“仿真大規(guī)模生成數(shù)據(jù)真機(jī)零樣本部署”的思路降低高風(fēng)險真機(jī)試飛的依賴。但也留下共同的待解命題把兩套能力融合——在充滿障礙物的真實(shí)物理世界無人機(jī)既要預(yù)判環(huán)境死胡同又要和動態(tài)對手開展博弈這也是未來空中具身智能值得探索的方向。參考文獻(xiàn)1、DPNet: Efficient Dead?End Prediction and Avoidance for Vision?Based UAV Navigation (arXiv:2608.16640)2、AgilePE: Autonomous UAV Pursuit?Evasion via Self?Play Reinforcement Learning (arXiv:2608.14135)