在探索無人機自主導航的新邊疆上，一項由上海交通大學和蘇黎世大學聯合完成的研究正引領著一場技術革命。這項研究的核心成果——一種融合無人機物理建模與深度學習的創新方法，不僅成功實現了無人機集群在現實環境中的自主導航，還在魯棒性和機動性上取得了顯著突破。
研究的主要作者包括上海交通大學的研究生張宇昂、博士生胡瑜，以及蘇黎世大學的博士宋運龍。他們的研究成果已在《Nature Machine Intelligence》上發表，揭示了無人機如何在未知復雜環境中，如森林、城市廢墟及室內障礙空間，像飛鳥般快速穿梭，無需地圖、通信或昂貴設備。
這項技術的核心理念是“大道至簡”。傳統無人機自主導航依賴于復雜的定位、建圖、軌跡規劃與跟蹤模塊，以及昂貴的傳感器和高性能計算平臺。然而，研究團隊卻探索出了一條截然不同的路徑：他們使用僅12×16分辨率的深度圖作為輸入，通過僅含3層卷積神經網絡的超小模型，實現了端到端的自主飛行控制。他們拋棄了復雜的無人機動力學模型，轉而采用極簡的質點動力學，通過可微物理引擎進行網絡訓練。
在實驗中，無人機展現了驚人的表現。在單機場景中，無人機在樹林、城市公園及含有靜態和動態障礙的室內環境中進行測試，導航成功率高達90%，速度可達20米/秒，是基于模仿學習的現有方案速度的兩倍。更令人矚目的是，多架無人機在無通信或集中規劃的情況下，能夠協同穿越復雜障礙，展現出自組織行為。
這項研究的另一大亮點是其高效性和低成本性。整套端到端網絡參數僅2MB，可部署在成本不到150元的嵌入式計算平臺上。訓練過程也極為高效，在RTX 4090顯卡上僅需2小時即可收斂。這一成果不僅挑戰了傳統無人機自主導航的技術框架，還為未來智能無人機的廣泛應用奠定了堅實基礎。
研究團隊還對比了強化學習、模仿學習與本研究提出的物理驅動方法。結果顯示，本方法在訓練效率、數據利用率、收斂性能及部署效果上均顯著優于其他兩種方法。這一對比不僅驗證了物理驅動方法的有效性，也表明在正確的訓練方法下，強智能并不一定需要海量數據與昂貴試錯。
研究團隊還通過Grad-CAM激活圖工具對策略網絡的感知注意力進行了可視化分析，發現網絡在飛行過程中能夠自發地將注意力集中在潛在風險最大的區域上。這一結果不僅證明了網絡在行為層面的成功避障能力，還揭示了其感知策略的合理性與物理解釋性。
隨著這項研究的深入，研究團隊已進一步實現了基于單目第一人稱視角攝像頭的端到端視覺避障系統，在真實室外環境中實現了最高6米/秒的飛行速度。這一成果不僅拓展了無人機自主導航的應用場景，也為未來智能無人機的發展開辟了新的方向。
