成大機(jī)械系劉彥辰團(tuán)隊(duì)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí) 提升無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)性能
機(jī)械系劉彥辰教授（中）與團(tuán)隊(duì)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)提出新型態(tài)無(wú)人旋翼機(jī)架構(gòu)。圖：成功大學(xué)提供
帶臂旋翼機(jī)近年來(lái)蓬勃發(fā)展，在建築、農(nóng)業(yè)、遙測(cè)等領(lǐng)域都能看到其應(yīng)用。為了解決帶臂旋翼機(jī)動(dòng)態(tài)移動(dòng)下不穩(wěn)定的控制性能，國(guó)立成功大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系教授劉彥辰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出新型態(tài)的解耦控制架構(gòu)，結(jié)合「DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）深度學(xué)習(xí)」方法以及傳統(tǒng)控制策略，將旋翼機(jī)以及下方連接的機(jī)械手臂分別進(jìn)行控制，減少飛行載物時(shí)，空氣動(dòng)力與重物對(duì)旋翼機(jī)動(dòng)態(tài)造成的影響，有效提升整體系統(tǒng)性能。
帶臂旋翼機(jī)是常見(jiàn)用來(lái)載貨的無(wú)人旋翼機(jī)之一，意指在旋翼機(jī)底下加裝機(jī)械手臂，除了機(jī)體本身的飛行方向控制，還需調(diào)整機(jī)械手臂擺動(dòng)的角度、方向、夾取功能等，控制參數(shù)多，導(dǎo)致傳統(tǒng)的帶臂旋翼機(jī)往往計(jì)算模型龐大且複雜，加上機(jī)械手臂的移動(dòng)亦會(huì)同時(shí)影響旋翼機(jī)的飛行姿態(tài)，夾取物品時(shí)的質(zhì)量改變也容易讓旋翼機(jī)突然上升或高度下降。
劉彥辰教授指出，團(tuán)隊(duì)結(jié)合近年來(lái)熱門(mén)的機(jī)器學(xué)習(xí)，提出的新形態(tài)「解耦控制架構(gòu)」。把旋翼機(jī)與機(jī)械手臂分為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)來(lái)控制，不僅模型相對(duì)簡(jiǎn)單，也能有效提升計(jì)算效率，讓機(jī)器在收到指令的當(dāng)下更快速做出反應(yīng)動(dòng)作，能夠準(zhǔn)確夾取物品及到達(dá)定位點(diǎn)，在旋翼機(jī)無(wú)法直接到達(dá)的地方，也能透過(guò)調(diào)整機(jī)械手臂來(lái)完成目標(biāo)，整體運(yùn)作品質(zhì)大為提升，此項(xiàng)突破性研究在2022年8月登上國(guó)際頂尖期刊IEEE Transactions on Cybernetics。
帶臂旋翼機(jī)除了調(diào)整飛行方向，還須調(diào)整機(jī)械手臂移動(dòng)位置，計(jì)算模型相當(dāng)複雜。圖：成功大學(xué)提供
成大團(tuán)隊(duì)透過(guò)虛擬機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)「V-REP」建立帶臂旋翼機(jī)模型，以DDPG模式來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，目的是讓智能體與周?chē)h(huán)境互動(dòng)，嘗試以不同的「行為」得到最大的「獎(jiǎng)勵(lì)」，接著再將完成的模組套入帶臂旋翼機(jī)進(jìn)行試飛。
參與研究的博士生劉凱元指出，理想上透過(guò)不斷模擬訓(xùn)練，久了之後智能體就會(huì)知道執(zhí)行怎樣的動(dòng)作會(huì)得到較高的獎(jiǎng)勵(lì)?！傅袝r(shí)候機(jī)器的思考邏輯跟人其實(shí)不一樣」，劉凱元解釋?zhuān)瑱C(jī)器有它自己的運(yùn)算策略，有時(shí)我們以為很好的獎(jiǎng)勵(lì)其實(shí)不是機(jī)器想要的，也曾遇過(guò)雖然到達(dá)目的地，但卻是「繞遠(yuǎn)路」才完成，因此團(tuán)隊(duì)就必須要反覆嘗試、持續(xù)修正，才能設(shè)計(jì)出效益最高、飛行最穩(wěn)定的計(jì)算模組。
帶臂旋翼機(jī)高度的靈活性，相比一般無(wú)人搬運(yùn)車(chē)只能在地面上移動(dòng)，旋翼機(jī)兼具3D立體空間移動(dòng)的概念，能夠超越地形限制。劉彥辰教授也提到，其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)多元，像是在難以到達(dá)的茂密叢林、陡峭懸崖、河谷橋梁或是不便停留的廣闊海面上執(zhí)行空拍探測(cè)、救災(zāi)載物等工作，也能取代傳統(tǒng)在聳立高樓外清潔玻璃、刷油漆的人力作業(yè)；興建橋梁或房屋工程時(shí)，透過(guò)多臺(tái)帶臂旋翼機(jī)同時(shí)運(yùn)行，也能進(jìn)行搬運(yùn)鋼條、建材等應(yīng)用。
除了單一臺(tái)帶臂旋翼機(jī)的運(yùn)作，成大團(tuán)隊(duì)目前也正著手進(jìn)行多臺(tái)旋翼機(jī)同時(shí)操控的進(jìn)階研究。劉彥辰指出，多臺(tái)旋翼機(jī)存在的變因比單一機(jī)臺(tái)來(lái)得多更多，像是軌跡追蹤、位置控制、協(xié)同搬運(yùn)等，都是目前需要精進(jìn)且探討的重點(diǎn)，期待未來(lái)能順利將新形態(tài)架構(gòu)套用到多臺(tái)旋翼機(jī)上，開(kāi)創(chuàng)更多靈活的發(fā)展應(yīng)用，促進(jìn)科技日益便利與進(jìn)步。
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