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独家专访 | 美团无人机专家解析:“软硬兼施”构建五项黑科技

  • 2022-09-30
    北京
  • 本文字数:4379 字

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独家专访 | 美团无人机专家解析:“软硬兼施”构建五项黑科技

8 月 25 日,在第二届中国民用无人驾驶航空发展国际论坛上,美团无人机业务负责人毛一年进行了主题为“城市低空末端物流特定类运行创新实践”的分享。据其介绍,自 2021 年 1 月至今,美团无人机已在深圳完成安全飞行架次超 14 万,并在深圳落地了 11 条常态化试运营航线,服务覆盖十余个社区和商圈。事实上,美团无人机的价值远不止在商业方面的最后一公里配送,未来还有很多想象空间。请诸位读者拭目以待。

 

2021 年 7 月,美团无人机正式运营一周年媒体采访日时,毛一年提出了 4 个目标,即安全、高效、经济和自主可控。支撑这 4 个目标的是其领先于业界的五项黑科技技术。从 2017 年开始,美团内部启动了无人机配送服务的自行研发。近日,美团无人机业务部相关技术人员接受了 InfoQ 编辑的独家专访。控制算法负责人刘宝旭,就美团无人机飞行控制技术相关问题作出了解答。

 

美团无人机控制算法负责人刘宝旭

以始为终的确立目标,安全是最终目标和最低目标


美团作为一家拥有丰富生活服务场景的科技零售公司,为什么要自行研发无人机?买一个市面上现有的无人机不就可以了吗?

 

实际上,美团在决定自行研发之前,考察了市面上很多无人机。结果是没有一款是适合美团外卖场景使用的。“无论是航拍还是大型载货的无人机,每种类型的无人机都服务于特殊场景。而在城市低空场景,还没有一台既能载货,又同时兼具良好的飞行性能、通信功能且高效安全的无人机。

 

更重要的是,美团无人机首选要面向的是中国地区生活服务场景的配送问题。而中国城市特特点是:居住地密集,工作地高楼林立。与欧美等国相比,这样的飞行场景复杂度更高。

 

毛一年带领的无人机团队,对目标进行了拆解。首先,必须是安全,在飞行过程中不会对人民的生命财产构成任何潜在威胁。第二是高效。城市低空飞行领域的价值尚未被充分挖掘。未来,在同一区域,有多架无人机在在相同时间点进行配送才能高效的完成客户需求。第三是经济,因为用户希望支出更低的成本。第四,自主可控而不受外界因素干扰运行。

 

支撑这 4 个目标的是其自行研发的五项黑科技。这五项分别是,飞行器、导航控制、AI 算法、航线管理以及通信系统。本文章将美团无人机背后的核心科技亮点进行了提炼与总结,限于篇幅等多方面考虑,突出了其中比较重要的内容,期望对读者有所裨益。

“软硬兼施”构建五项黑科技


1.三种不同方案保障飞行器安全

如果安全是“1”,那么高效、经济和自主可控这些目标都是这个“1”后面的零。只有基于这个“1”,零的存在才会有意义。InfoQ 编辑在采访刘宝旭的过程中,他也多次强调了这个安全的重要性。他认为:“无论是软、硬件的研发,都是以安全为第一原则展开工作的。”

 

在美团无人机团队内部人员看来,美团无人机的飞行器显著区别于其他无人机。为了确保无人机在复杂城市场景中安全的执行飞行任务,美团无人机采用了六旋翼的无人机。相较于四旋翼,美团无人机有 6 个动力系统,6 套螺旋桨和 6 个电机。这样的设计,好处是即使一套动力失效,也能确保无人机安全降落。

 

美团相关技术专家介绍到,就螺旋桨而言,无人机团队进行了两个重要的改变。第一是,把无人机螺旋桨的转速控制在合理区间。这个环节的关键是把螺旋桨的转动频率控制在人耳感知外频率区间以外。第二是在螺旋桨上创新。比如,在某个地方弯一下,或者说是某个地方过度的更圆滑,都会让整体的噪音下降。

 

为了最大程度的保障安全,飞行器中有两块可拆卸电池。一块是常用电池,另一块是备用电池。如果常用电池出现了问题,备用电池就能及时顶上。如果两块电池都无法使用,无人器内部还有一块小电池,及时供电。假设无人机判断已无法飞行,就会打开降落伞,进行紧急降落。

 2. “更直接且高效”的感知定位算法

李开复曾在《人工智能》著作中提出了自动驾驶模型:感知、决策与控制。与自动驾驶类似,无人机的环境感知与定位也是美团无人机的核心组成部分。从美团无人机在感知组的组织架构上,也可以窥见其在此方面的重点部署:在感知团队中分别有专攻视觉感知、障碍物预估、飞机航程管理等多个细分领域的专业人士。

 

与自动驾驶目前遇到的困境一样,美团无人机也受到了芯片算力的影响。“受制于算力,我们不能使用计算复杂度高的算法,所以我们另辟蹊径,采用了‘边走边看’的方法,在提升识别准确率的同时也能降低计算消耗。”相关技术人员告诉 InfoQ 编辑。


 从上图中可以看到,大淡紫色的区域是视觉系统检测出来的平坦区域,如果出现意外飞机可以自主选择在哪里降落,一定要降落到安全的区域,同时也会尽量避开车辆和行人,做到安全稳定的降落,对地面不产生伤害。

3.加速迭代的控制算法  

为了增强无人机应对各种复杂的外部环境,对算法进行优化是必不可少的。美团无人机团队采用了加速迭代效率的方法。

 

使用 HIL 设备替代真实被控无人机,接收自动化生成的控制指令,并模拟所有状态信息返回给真实控制器,使全系统以为自己在控制真实无人机在真实世界中的运动,从而形成测试闭环,得出真实数据。“采用这种硬件在环(Hardware-in-the-Loop)可以有效控制成本,也方便我们展开大规模试验。大规模大范围的去部署应用,促进我们新版本软件的技术迭代,或者是加速一些新算法的验证。由此产生大量新数据也可以不断提高整体迭代效率。”

 

“目前阶段,我们使用大量模拟数据,验证整个产品线,这样做会更加踏实。”

 

刘宝旭在校期间研发植保无人机时,就已明白风是飞行安全不可忽略的因素。危害飞行安全的风主要是顺逆风、侧风,但阵风、风切变也是危害。控制算法要对外在潜在的变量采取预防措施。想要把问题扼杀到摇篮当中,其中关键的一个环节是,如何让建模更准确。

 

一方面,美团无人机团队在模拟风洞中使用飞机真实参数,比如配平的姿态、各方向的迎角等等,把这个模型建得更准,更精准的还原无人机在不同的风的情况下表现如何。第二方面就是风怎么建的更准。在这个过程中,会将常值风、紊流、阵风以及风切变与大气常见现象以及风雷达实采数据形成不同组合,再在不同高度、不同方向变化,得到数据并逐渐优化,把模型变得更准,算法设计也更有的放矢。

 

在控制方面,美团无人机团队的核心思路也是采取了“更直接的方法”。“我们将不能直接测量的数据或隐含变量通过状态观测、系统辨识等方法估计出来,然后主动地抑制其中的干扰量。另外针对响应速度不够的问题,如果我们认为现在该增加速度了,就直接调整到加速度甚至加加速度。如果角速度控制不够快,我们会提前增加它对应的角加速度。”

4. 领先国际的导航系统

当我们置身于高楼林立的建筑群中时,有时会发现手机 GPS 定位不准。这是由于高楼之间的玻璃幕墙反射卫星的信号,造成了信号不稳定。除此之外,信号丢失、天气原因造成的信号被遮挡,甚至不排除恶意破坏,都会让传统的导航模块无法达到精准的定位。

 

在充分调研了市面上的导航系统后,美团无人机团队经过 18 个月的攻坚克难,自行研发了视觉导航系统。通过视觉和算法,还有机载计算与卫星导航相结合,美团无人机可以在城市高楼林立的场景里边自由、稳定、精确的飞行。据毛一年在 2021 年 7 月对媒体的介绍,美团自主研发的高精度导航模块核心指标已经超过了国际领先的产品。其中包括了姿态、位置、速度和航向。

 

导航定位方面,美团无人机团队采用了点和线的效率高效且直接的视觉里程计算法。视觉里程计是即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)技术中至关重要的部分,也被称为“并发建图与定位”。 SLAM 技术所解决的问题主要是,在机器人置于全新的位置环境里的未知位置时,绘制机器人周围环境的完全地图,与此同时,可决定机器人下一步向哪个方向前进。详细介绍这项技术的论文题为《EDPLVO:一种更高效率的视觉里程计点-线直接方法》。这篇荣获了 ICRA 2022 导航领域的年度最佳论文。

 

上面提到的美团无人机团队发明的视觉里程计方法,就能够很好的克服 GPS 定位弊端。“这项技术的发明,可以提高自主系统的定位精准度,增强其环境适应性。同时,这项技术可以为攻克城市低空配送,比如楼间穿梭等高难度的挑战场景,提供了一些弹药。”相关技术人员回答到。

 5.四维时空胶囊与通信系统建立未来飞行秩序

也许,在不远的未来城市低空环境中,多家公司的无人机在同一区域提供服务将会成为现实。那么,多架无人机间协同运行以及调度等将是首先要规划好的问题。

 

当有两台及以上无人机的共同使用同一片低空领域时,这两台飞机的“时空胶囊”是不能交叠的。对于航线管理需要一套完善的体系,为此美团发明了四维的时空胶囊。通过 X、Y、Z、T,来实现多机协同运行。在航线任意时间、任意领空,都不会产生交叠。这样无人机才能在同一个空间协同运行。这样的时空胶囊保证了多机高效,也保证了安全可靠。

 

在空中通信信号非常重要。美团无人机使用了双卡双待系统。与手机不同的是,这套双卡双待系统能够实现自主切换。当信号差时,后台会给无人机发出切换运营商的指令。“不管飞机飞到哪,我们最大程度上保证飞机的通信信号畅通。”据悉,这套通信系统是用通信地图的方式做成的。“我们的后台调度系统不仅‘知道’三维空间的建筑地图,还‘知道’哪个运营商的信号分布是强和弱。通过这套信息把航线规划和信号信息融合在一起,后台会给飞机发出不同的指令,让无人机切换使用运营商信号。”

结语:知行合一的美团研发文化



刘宝旭是美团北斗计划(面向全球顶级院校招聘科技人才的计划)第一批的入职人员。知行合一的实践能力和务实的风格,是其在选择加入美团的原因,也是美团文化的感召其所在。在刘宝旭看来,美团无人机研发至少经历了 3 个阶段。首先是实现基础的飞行目标与精准降落功能,第二步是大批量高可靠的几十万架次飞行并投入运营使用,再次是目前正在攻克的复杂场景的飞行难题。

 

每一个阶段的研发工作重点和突破点都是美团在业务场景发现的实际问题。四维时空胶囊、断桨保护、无人机避障,这些美团的发明,都源自于现实场景需求。“在现实中发现问题,然后就具体问题、具体分析并解决是我们做事的思路。”这种做事风格展现了美团用场景驱动科技进步,再用科技反哺落地场景的核心追求,也印证了美团价值观:以客户为中心,正直诚信,合作共赢与追求卓越。

 

美团无人机不仅从“软处”着手,还在“硬件”方面精益求精。他在回忆飞行器研发过程中,说到:“3 年时间里,我们在每一个分贝往下扣。现在,还有同事在专研此事,不断优化降噪系统。另外仅降落伞一个项目,就研发了 18 个月,迭代了 7 个版本。”   

 

在笔者看来,树立正确的追求,兼以合理的方式推进是美团无人机取得阶段性成果的真正原因所在。这才是真正的“软硬兼施”。“软”用策略和价值观引导和凝聚人心,“硬”用扎实务实的研发达成目标。而这又是知行合一的路径。

 

目前,美团无人机团队的开发(算法、云端、终端)、测试、软硬件产品经理及项目管理类等岗位正在开放招聘,期待更多科技人才共同投身到无人机事业之中,为便捷、美好的未来生活而努力。

2022-09-30 13:354407

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