即使是用最简单的障碍训练无人机快速飞行，也相当容易发生碰撞，只能以工程师沮丧地修理或更换设备收场。

如今，麻省理工学院的工程师已经开发出一种新的无人机虚拟现实训练系统，使车辆能够在空虚的物理空间中“看到”丰富的虚拟环境。

该团队称之为“Flight Goggles”的系统可以显著减少无人机在实际训练中遇到的碰撞事故的数量。它也可以作为研究人员可能想要训练快速飞行无人机的任何环境和条件的虚拟试验台。

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麻省理工学院航空航天学副教授Sertac Karaman表示，这对无人机技术的发展是一场变革，因为无人机的发展速度非常快。而且该系统也可以使无人机响应更快，速度更快，效率更高。

Karaman和他的同事们将在下周的IEEE机器人和自动化国际会议上介绍他们的虚拟培训系统的细节。

加快速度

Karaman最初的动机来自于一种新的极限机器人运动：竞技无人驾驶赛车，其中由人类运动员驱动的遥控无人机，通过错综复杂的窗户，门和其他障碍物的迷宫。Karaman的想法是：一架无人机是否能与这些人控车辆一样快，甚至更快，有更好的精确度和控制力？

“在接下来的两三年里，我们希望无人机进入无人驾驶赛车比赛，并击败最优秀的人类运动员，”Karaman说。为此，该团队将不得不开发一种全新的培训方案。

目前，培养自主式无人机是一项物理的任务：研究人员在大型封闭式测试场地中操纵无人机，他们经常挂着大网捕捉护理车辆。他们还设置了一些道具，例如门窗，无人机可以通过这些道具学习飞行。当车辆发生碰撞时，必须对其进行修理或更换，这会延误开发并增加项目成本。

Karaman说，“以这种方式测试无人机可以适用于那些无法快速飞行的无人机，但是对于需要在飞行环境中快速处理视觉信息的快速飞行器来说，新的培训系统是必要的。当你想要进行高吞吐量计算并速度更快时，即使你对环境做出最轻微的改变都会导致无人机发生碰撞。你不能在那种环境中学习。如果你想加速，你需要某种虚拟现实环境。”

Flight Goggles

该团队的新型虚拟训练系统包括动作捕捉系统，图像渲染程序和电子设备，使团队能够快速处理图像并将其传输至无人机。

实际的测试空间位于31号大楼麻省理工学院新型无人机测试设施中的机库式体育馆，内部配备了动作捕捉摄像头，用于追踪无人机飞行时的方向。

借助图像渲染系统，可以绘制真实的场景，比如阁楼公寓或起居室，并将这些虚拟图像传送给无人机。无人机将在空荡荡的房间里飞行，但通过这一技术会幻化出一个完全不同的环境，并将在该环境中学习。

无人机可以以大约每秒90帧的速度处理虚拟图像，这大约是人眼可以看到并处理图像的速度的三倍。为了实现这一目标，团队定制电路板集成了强大的嵌入式超级计算机，以及惯性测量单元和相机。它们将所有这些硬件都装入一个小型3-D印刷尼龙和碳纤维增强无人机框架中。

速成课程

研究人员进行了一系列实验，其中包括无人机学会通过大约两倍大小的虚拟窗口飞行的实验。窗户置于虚拟客厅内。当无人机在测试设施中飞行时，研究人员将无人机视角的客厅场景图像传回到它。当无人机飞过这个虚拟房间时，研究人员调整了导航算法，使无人机能够即时学习。

根据该设施运动控制系统提供的定位信息，以每秒2.3米（每小时5英里）的速度飞行的无人机成功通过虚拟窗口，飞行了361次，仅有三次撞击到捕捉相机。即使这架无人机坠毁数千次，它也不会对成本或开发时间产生太大影响，因为它正在虚拟环境中坠毁，与现实世界没有任何实际接触。

在最后的测试中，团队在测试设施中设置了一个窗口，并打开无人机的车载摄像头，使其能够看到并处理其实际环境。使用研究人员在虚拟系统中调整的导航算法，八架无人机在飞行中能够通过真实窗口119次，只有六次坠毁或需要人为干预。

“它在现实中完成了同样的事情，”Karaman说。“这是我们编程在虚拟环境中做的事情，犯错，分析和学习。但是我们并没有在这个过程中打破现实的窗口。”

虚拟训练系统具有高度的可塑性。例如，研究人员可以在他们自己的场景或布局中训练无人机，包括实际建筑的详细无人机映射复制品。团队正在考虑与麻省理工学院的Stata中心合作。训练系统也可用于测试新的传感器或现有传感器的规格，以了解他们如何处理快速飞行的无人机。

该系统还可用于训练无人机在人的周围安全飞行。例如，他设想将实际测试设备分成两部分，一部是无人机，一部是飞行器，另一部分则是穿着运动捕捉服装的人。无人机将在虚拟现实环境中“看到”人类，不过它在自己的空间飞行。如果它不会真正撞到人身上，所以是无害的。

“有一天，当你真的有信心时，你可以在现实中做到这一点，以安全的方式让无机在人的周围飞行，在整个虚拟现实环境中，你可以做很多实验。之后我们会展示更多的操作。”Karaman如是说。