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无人机采用“放牧算法”防止飞机撞鸟事故

2018年08月12日

鸟群和飞机经常竞争同一个空域,而飞机的高速运动使得鸟击的破坏力达到惊人的程度,一只麻雀就足以撞毁降落时的飞机的发动机。

自1988年以来,由于鸟击引起的坠机事故已经造成219人死亡。

最近一场比较有名的鸟击事故是2009年全美航空一架由机长切斯利·萨利·萨伦伯格执飞的一架空客A320飞机,从纽约拉瓜迪亚机场到北卡罗莱纳州的夏洛特。

在起飞后90秒攀升到3200英尺后,空客A320因为鸟击使得两个引擎都失去动力,被迫降落在纽约哈德逊河面上,所幸飞机成功着陆,机上人员全数生还。

机长切斯利·萨利·萨伦伯格也创造了大型客机水面迫降的奇迹。

该事件随后被改编成了2016年的电影《萨利机长》。

92%的鸟类攻击发生在3,500英尺以下或者地面上空,这正是飞机最危险的起飞和着陆阶段。在秋季鸟类开始季节性迁移时此类事故更为常见。

1990年至2016年间,共发生了超过179,000次鸟类袭击,不过幸运的是只有0.25%发生了事故,但依然造成航空业每年平均12亿美元的损失。

随着商业、私人和军用飞行器数量日益增加,以及喷气式飞机安装更安静的发动机,鸟击事故的频率将会越来越高。

鸟击的防治主要是驱赶鸟类离开机场空域,驱赶的方式有恐吓、破坏栖息环境和迁移栖息地。

后两者争议比较大,而且工程繁杂,现在主要采用的是恐吓驱赶,比较流行的有煤气炮、恐怖眼、录音驱鸟、猎杀、豢养猛禽等方法。

但前几种恐吓方式被证明会产生耐受性,唯一经证实的持久方式是使用猛禽,但其训练非常困难,部分(例如游隼peregrine falcons)还是濒临灭绝的物种,因此该方法依然存在缺陷。

不过现在又增加了一种新方法:使用无人机进行主动引导。

根据《IEEE Transactions on Robotics》杂志发表的结果,加利福尼亚理工学院的研究人员开发的无人机,采用了一种旨在预测绵羊放牧行为的算法,成功地将数十只鸟从飞机路径上引走

研究人员开发的“放牧算法”,也被称为航路点算法(them-waypoint algorithm),基于Reynolds规则的鸟的动态模型。通过对模型的降阶处理,得到了模型的某些边界值。

模型将鸟群视作一个整体,它们会统一改变或不改变路径。因此无人机与鸟群的距离非常重要,如果无人机过于靠近鸟群,它们就会分散开并单独飞行。

当无人机占据领先位置时,它的引导削减了鸟类在天空中占据的空间量,并可以成功地将它们从保护空域附近引导离开。

更详细的推导涉及许多数学过程,感兴趣的同学可以查看原论文:

http://authors.library.caltech.edu/87601/2/tro-chung-2853610_final1.pdf

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