MIT與賓大研究團隊開發MIGHTY系統，讓無人機毫秒級閃避障礙並規劃最優飛行路徑

在毀滅性地震發生後，無人機（UAV）或許能飛入倒塌建築進行現場測繪，為救援人員提供快速抵達倖存者所需的關鍵資訊。然而，對於自主機器人而言，這仍是極具挑戰性的任務——它必須在保持航線的同時，迅速調整飛行軌跡以閃避突發障礙物。

同時解決兩大挑戰的全新系統

MIT與賓夕法尼亞大學的研究人員共同開發了一套全新的軌跡規劃系統，能同時應對上述兩項挑戰。這項技術讓無人機得以在毫秒內對障礙物做出反應，同時維持平滑飛行路徑，將飛行時間最小化。

該系統採用全新數學公式，確保機器人沿著可行路徑安全抵達目的地，且運算強度低於其他現有技術，因此能比現有先進方法更快地生成更平滑的軌跡。

這套軌跡規劃器同時具備足夠的運算效率，僅需利用機器人本身的機載電腦與感測器，即可實現即時飛行。

MIGHTY：開源、免費、無需昂貴授權

這套名為「MIGHTY」的開源系統，不需要動輒數十萬美元的商業軟體套件，能更輕鬆地在各種真實世界場景中部署。

除搜索與救援外，MIGHTY還可應用於都市最後一哩配送（無人機需閃避建築、電線與行人）或風力發電機等複雜結構的工業巡檢。

論文第一作者、麻省理工學院航空航太研究所研究生Kota Kondo表示：「MIGHTY僅使用開源工具就能達到相當甚至更優異的性能，這意味著全球任何研究人員、學生或企業都能免費使用它。透過消除這道成本門檻，MIGHTY有助於讓高性能軌跡規劃走向民主化，並為更廣泛的社群奠定基礎。」

共同作者包括賓夕法尼亞大學研究生Yuwei Wu、賓大教授Vijay Kumar，以及通訊作者、MIT航空航太Ford講座教授暨LIDS與ACL實驗室主任Jonathan P. How。這項研究發表於《IEEE Robotics and Automation Letters》期刊。

研究靈感源自福島核災

Kondo坦言，童年時期親歷2011年東日本大地震引發的福島第一核電廠事故，是他投身自主機器人研究的契機。彼時學校停課，他每天在家收看新聞，目睹工作人員在核災現場暴露於高劑量輻射環境中作業。

「我因此產生了打造自主機器人的熱情——讓它們能進入這些動態且危險的環境，完成任務後回報給留在安全處的人類，」Kondo說。

突破固定時間限制的傳統困境

現有許多軌跡規劃系統存在難以兼顧的取捨。商業系統雖能快速生成平滑軌跡，但授權費用高昂；開源替代方案則往往性能不足或難以使用。

傳統方法的常見做法，是先估算機器人從A點到B點所需的時間，再基於這個固定時間找出最佳路徑。這樣雖能快速生成軌跡，卻有缺點：若無人機必須大幅繞道閃避障礙物，就可能被迫加速以符合固定時間預算，反而更難應對突發危險。

Hermite樣條：時間與路徑同步優化

MIGHTY採用一種稱為「Hermite樣條（Hermite spline）」的數學技術，在單一步驟中同步優化飛行時間與飛行路徑，形成可精確控制的平滑軌跡。

「將空間與時間分量一起優化能獲得更好的結果，但優化問題因此變得更複雜，在可接受的時間內求解也更困難，」Kondo說。

研究團隊採用了一項巧妙技術來降低運算負擔：MIGHTY不是每次從零開始生成軌跡，而是先給出一個初始猜測，再透過迭代優化加以精煉，同時利用無人機光達（LiDAR）感測器所生成的場景地圖。

「我們能對軌跡應該是什麼樣子做出合理的初步猜測，這比從零開始生成整個軌跡快得多，」Kondo說。

實測表現：比先進方法快15%、實飛速達6.7 m/s

在模擬實驗中，MIGHTY僅需現有先進方法約90%的運算時間，同時比這些方法快約**15%**安全抵達目的地。

在真實機器人測試中，系統以每秒6.7公尺的速度飛行，並成功閃避路徑上出現的所有障礙物。

「MIGHTY所有功能都整合在一起，不需要與任何其他軟體通訊就能得出解答。這讓我們甚至能比部分商業求解器更快，」Kondo說。

未來展望

研究團隊未來計劃強化MIGHTY，使其能同時控制多台機器人，並在更複雜的環境中進行更多飛行實驗，同時根據使用者回饋持續改進這套開源系統。

未參與本研究的蘇黎世大學機器人與感知研究組教授暨主任Davide Scaramuzza表示：「MIGHTY透過重新審視軌跡表示方式本身，為敏捷機器人導航做出重要貢獻。Hermite樣條已在視覺同步定位與地圖建構中成功應用，很高興看到其優勢現在也被運用於移動機器人的軌跡規劃。透過在保留軌跡局部控制的同時，實現路徑幾何、時序、速度與加速度的聯合優化，MIGHTY讓機器人在雜亂環境中能更自由地計算快速、動力學可行的運動。」

本研究部分由美國陸軍研究實驗室及新加坡國防科學技術局資助。

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