這架無人機(jī)可以玩躲避球，而且還贏了
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蘇黎世大學(xué)的研究人員通過使用新型攝像機(jī)演示了飛行機(jī)器人如何可以檢測并躲避快速移動的物體。此次試驗(yàn)向研發(fā)出在惡劣環(huán)境下可以更快飛行的無人機(jī)又邁出了一步，這樣它可以在更短的時間內(nèi)完成更多工作。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202003/411196.htm無人機(jī)可以做很多事情，但避開障礙物并不是它們的最強(qiáng)項(xiàng)，尤其是當(dāng)無人機(jī)還在快速移動。 盡管許多飛行機(jī)器人都配備了可以檢測障礙物的攝像頭，但無人機(jī)通常需要20到40毫秒來處理圖像并做出反應(yīng)。這個時間可能看起來很短，但它還無法保證無人機(jī)在高速飛行時可以避開鳥類或其他無人機(jī)，甚至靜止的障礙物。因而，在不可預(yù)測的環(huán)境中使用無人機(jī)時，或者當(dāng)許多無人機(jī)在同一區(qū)域飛行時，就可能會出現(xiàn)問題。
幾毫秒的反應(yīng)時間
為了解決這個問題，蘇黎世大學(xué)的研究人員通過為四旋翼飛行器（帶有四個螺旋槳的無人機(jī)）配備特殊的攝像頭和算法，將其反應(yīng)時間縮短到幾毫秒——這足以使它可以躲避從短距離投擲的球。這個研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》（Science Robotics）雜志上，它將幫助無人機(jī)在自然災(zāi)害等情況下發(fā)揮更大的作用。
“對于在搜索和救援領(lǐng)域的應(yīng)用（例如地震后），時間非常關(guān)鍵，因此我們需要無人機(jī)能夠盡可能快地飛行，以便在其有限的電池壽命內(nèi)完成更多工作，”蘇黎世大學(xué)機(jī)器人與感知研究組以及瑞士國家科研能力中心（NCCR）機(jī)器人搜索和救援大挑戰(zhàn)負(fù)責(zé)人Davide Scaramuzza解釋道， “但是無人機(jī)飛行速度越快，他們與障礙物碰撞的風(fēng)險就越高，而當(dāng)障礙物在移動時，這個風(fēng)險會更高。 我們發(fā)現(xiàn)，動態(tài)視覺傳感器事件攝像機(jī)（Event Camera）這種新型攝像機(jī)非常適合此目的?！?/p>
事件攝像機(jī)的智能像素
傳統(tǒng)的攝像機(jī)（比如智能手機(jī)中的攝像機(jī)）的工作原理是通過持續(xù)拍攝整個場景的快照，需要同時曝光所有圖像像素。采用這種方式只能在內(nèi)置計算系統(tǒng)分析完所有像素之后才能檢測到運(yùn)動的物體。而事件攝像機(jī)具有彼此獨(dú)立工作的智能像素，未檢測到變化的像素保持不變，而檢測到光強(qiáng)度變化的像素則立即發(fā)送信息。這意味著內(nèi)置計算系統(tǒng)僅需處理圖像中一小部分像素，從而大大加快了計算速度。
事件攝像機(jī)是一項(xiàng)近期的研究成果，現(xiàn)有的無人機(jī)物體檢測算法不完全適用于它們。 因此，研究人員必須開發(fā)自己的算法，該算法可以在很短的時間內(nèi)收集攝像機(jī)記錄的所有事件，再減去無人機(jī)自身移動的影響，基本可以得出攝像機(jī)看到的大部分變化。
僅3.5毫秒即可檢測到靠近的物體
Scaramuzza和他的團(tuán)隊(duì)首先分別對攝像機(jī)和算法進(jìn)行單獨(dú)測試。他們將各種形狀和大小的物體扔向攝像機(jī)，測量算法檢測到物體的效率。物體的大小和投擲的距離不同，檢測成功率在81％到97％之間變化，并且該系統(tǒng)僅用3.5毫秒即可檢測到靠近的物體。
然后就是最嚴(yán)峻的測試：將攝像機(jī)放在實(shí)際的無人機(jī)上，在室內(nèi)和室外飛行，然后直接向其投擲物體。測試結(jié)果是，無人機(jī)能夠躲避物體的概率超過90％，其中包括從三米遠(yuǎn)處扔出的以10m/s的速度靠近的球。如果無人機(jī)提前“知道”物體的大小，一臺攝像機(jī)就足夠了。而如果它不得不面對大小不同的物體時，需要使用兩個攝像頭為其提供立體視覺。
Scaramuzza認(rèn)為這些結(jié)果表明，事件攝像機(jī)可以保證無人機(jī)的可飛行速度提高多達(dá)十倍，從而擴(kuò)展了其可能的應(yīng)用范圍。 他說：“無人機(jī)將被用于各種各樣的應(yīng)用，比如貨物交付、人員運(yùn)輸、航空攝影術(shù)，當(dāng)然還有搜索和救援。與此同時，使機(jī)器人能夠更快地感知并做出決策，對于其他領(lǐng)域的應(yīng)用將是變革性的，在包括汽車、良好交付、運(yùn)輸、采礦和機(jī)器人的遠(yuǎn)程檢查等領(lǐng)域中，可靠地檢測到靠近的障礙至關(guān)重要。”
幾乎與飛行員一樣可靠
該團(tuán)隊(duì)計劃在更加敏捷的四旋翼無人機(jī)上測試該系統(tǒng)。 “我們的最終目標(biāo)是使自主駕駛的無人機(jī)達(dá)到和人類無人機(jī)飛行員一樣的水平。當(dāng)前，在涉及無人機(jī)的所有搜索和救援應(yīng)用中，實(shí)際上都是人為控制的。如果我們能夠讓自主駕駛的無人機(jī)像人類無人機(jī)飛行員一樣可靠地導(dǎo)航，那么我們將能夠?qū)⑵鋺?yīng)用于超出人為視線范圍或遠(yuǎn)程控制范圍之外的任務(wù)，”研究文章的主要作者Davide Falanga博士說道。
此項(xiàng)目由瑞士國家科學(xué)基金會通過國家機(jī)器人技術(shù)能力研究中心資助。
參考文獻(xiàn):
Davide Falanga, Kevin Kleber, Davide Scaramuzza, “Dynamic Obstacle Avoidance for Quadrotors with Event Cameras”, Science Robotics, March 18, 2020. DOI: 10.1126/scirobotics.aaz9712
無人機(jī)能夠成功躲避飛來的球——即使球從三米遠(yuǎn)的地方以10 m/s的速度接近。（圖片來源：蘇黎世大學(xué)）
關(guān)于蘇黎世大學(xué)
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