史丹佛的「自主」直升機自己學飛

Stanford's 'autonomous' helicopters teach themselves to fly
http://www.physorg.com/news139501522.html

September 01, 2008

史丹佛電腦學家開發了一套人工智慧系統，那使得機器人般的直升機能透過觀察其他直升機的飛行招式，教導它們自己飛出同樣困難的特技表演。其結果是一架能自行完成一整套複雜花俏之空中表演的自主直升機。

這些驚人的表演 "到目前為止是最複雜的特技動作，由其他電腦所控制的直升機飛行，" Andrew Ng，指導畢業生 Pieter Abbeel、Adam Coates、Timothy Hunter 與 Morgan Quigley 進行這項研究的教授。

這種令人目眩神迷的空中表演是「見習學習（apprenticeship learning）」一個很重要的證明，其中，機器人透過觀察一位專家學習，而非藉由軟體工程師輕敲鍵盤，試圖從頭開始寫指令。

史丹佛的人工智慧系統透過「觀察」專業的無線電控制駕駛 Garett Oku 飛四呎長的直升機而習得如何飛行。"Garett 能掌握任何直升機，甚至是他從未見過的，而且能飛出令人吃驚的特技飛行。所以我們的問題總是：「為何電腦不能做出像這樣的事情？」" Coates 說。

結果證明，電腦的確能。在最近一個早晨，在校園邊一處空曠的場地，Abbeel 與 Coates 使他們的一架直升機升高以證明自主飛行（autonomous flight）。這部飛機，明亮地漆上「史丹佛紅」，是一架現成的、無線電控制的直升機，具有研究者們添加的儀器。

在五分鐘內，這具直升機，獨自地，完成一連串驚人的動作，超越一架完全受到駕駛的直升機以及其他自主遙控直升機的能力。

這部人工智慧直升機完成了一些困難飛行動作的開胃菜（smorgasbord）：移動翻轉（traveling flips）、搖擺（rolls）、軸轉式翻跟斗（loops with pirouettes，迴旋式翻跟斗）、軸轉式失速旋轉（stall-turns with pirouettes）、側飛（knife-edge）、英麥曼式（Immelmann，指德國早期空戰英雄 Max Immelmann）、拍打式（slapper）、尾部倒飛滑行（inverted tail slide）以及一種颶風式（hurricane），被形容成「快速向後的漏斗」。

主菜（piece de resistance）可說是「滴答（tic toc）」，在其中直升機雖筆直指向上，但同時具有在兩側盤旋的移動（hovers with a side-to-side motion）猶如它是個上下顛倒的時鐘鐘擺。

"我認為它們能完成的飛行動作" 在自主直升機領域中 "顯然已達極限，" Eric Feron 說，Georgia Tech 一位航空與宇航學教授，當他在 MIT 時研究的是自主直升機。"但令人更印象深刻的是，這項研究底下的技術。在某種程度上，這部機器透過觀看一位專業駕駛飛行而教會它自己。這太驚人了。"

替機器人般的直升機寫軟體是件令人氣餒的工作，部份是因為飛行器本身，不像一架飛機，天生就不穩定。"直升機天生就不想要飛。它總是想傾斜與墜毀，" Oku 這位駕駛說。

對科學家而言，一架飛行中的直升機是一種「不穩定的系統」，沒有持續不斷的輸入就會解體（unglued）。Abbeel 比喻飛一架直升機就好像平衡你手掌中的長杆："如過你不提供回饋，它就會墜毀。"

在他們的研究早期，Abbeel 與 Coates 試圖要撰寫程式碼，那將為一架直升機飛某種特定飛行動作所要求的軌道具體指定命令。然而這種硬幹方法雖然成功地完成菜鳥等級的翻轉與搖擺，不過在飛複雜的滴答時卻栽跟斗。

看來只要利用直升機遙控器上的搖桿重播一位專業飛行員精確的手指運動，就能夠讓一架自主直升機飛出驚人絕技。然而，這種方法卻因為其他不可控制的變數，例如一陣強風，而註定失敗。

當史丹佛研究者決定他們的自主直升機應能飛行空中表演絕技時，他們領悟到即便要界定他們的目標都很困難。「飛得好」的正式定義是什麼？答案結果是：「飛得好」就是一位專業無線電控制駕駛在一場空中表演中所作的任何事。

所以研究者要求 Oku 與其他駕駛飛完整套空中表演流程，同時直升機的一舉一動都被記錄下來。當 Oku 重複某一動作幾次後，直升機的軌道必然在每次飛行中有所變化。但 Ng 的團隊所創造的學習演算法能夠分辨駕駛正在尋求的理想軌道。因此自主直升機能學著將整套飛行飛的更好 -- 而且比 Oku 他自己更加一貫。

在飛行期間，某些必要的儀器安置在直升機上，某些在地面上。同時，他們持續監控位置、指揮、方位、速度、加速度以及直升機在幾個維度中的旋轉。一台地面電腦產生資料、進行快速計算並經由每秒 20 次的無線電，發送新的飛行方向給直升機。

直升機攜帶加速計、迴轉儀（gyroscope，迴旋儀）以及磁力計，後者利用地球磁場算出直升機指向何方。飛行器的確切位置不是以 GPS 接收器就是以地面上的攝影機來追蹤。（如果是較大的直升機，整套導航設備可以裝直升機上。）

使用自主直升機在戰區搜尋地雷或即時測繪出加州野火的熱點，讓消防隊員能夠迅速機動令人感到興趣。打火英雄現在通常要靠數小時之前的資訊來行動，Abbeel 說。

"為了要讓我們能在這類關鍵任務的應用中信賴直升機，我們有非常強健、非常可靠的直升機控制器，那也許能飛的跟世上最好的駕駛一樣好，很重要，" Ng 說。史丹佛的自主直升機朝這個目標跨出了一大步，他說。

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