這架無(wú)人機(jī)可以玩躲避球，而且還贏了

蘇黎世大學(xué)的研究人員通過(guò)使用新型攝像機(jī)演示了飛行機(jī)器人如何可以檢測(cè)并躲避快速移動(dòng)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(wú)人機(jī)又邁出了一步，這樣它可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成更多工作。

無(wú)人機(jī)可以做很多事情，但避開(kāi)障礙物并不是它們的最強(qiáng)項(xiàng)，尤其是當(dāng)無(wú)人機(jī)還在快速移動(dòng)。 盡管許多飛行機(jī)器人都配備了可以檢測(cè)障礙物的攝像頭，但無(wú)人機(jī)通常需要20到40毫秒來(lái)處理圖像并做出反應(yīng)。這個(gè)時(shí)間可能看起來(lái)很短，但它還無(wú)法保證無(wú)人機(jī)在高速飛行時(shí)可以避開(kāi)鳥(niǎo)類(lèi)或其他無(wú)人機(jī)，甚至靜止的障礙物。因而，在不可預(yù)測(cè)的環(huán)境中使用無(wú)人機(jī)時(shí)，或者當(dāng)許多無(wú)人機(jī)在同一區(qū)域飛行時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

幾毫秒的反應(yīng)時(shí)間

為了解決這個(gè)問(wèn)題，蘇黎世大學(xué)的研究人員通過(guò)為四旋翼飛行器（帶有四個(gè)螺旋槳的無(wú)人機(jī)）配備特殊的攝像頭和算法，將其反應(yīng)時(shí)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(gè)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(wú)人機(jī)在自然災(zāi)害等情況下發(fā)揮更大的作用。

 “對(duì)于在搜索和救援領(lǐng)域的應(yīng)用（例如地震后），時(shí)間非常關(guān)鍵，因此我們需要無(wú)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(guó)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(wú)人機(jī)飛行速度越快，他們與障礙物碰撞的風(fēng)險(xiǎn)就越高，而當(dāng)障礙物在移動(dòng)時(shí)，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高。 我們發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)視覺(jué)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(guò)持續(xù)拍攝整個(gè)場(chǎng)景的快照，需要同時(shí)曝光所有圖像像素。采用這種方式只能在內(nèi)置計(jì)算系統(tǒng)分析完所有像素之后才能檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)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(cè)到變化的像素保持不變，而檢測(cè)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(jì)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(jì)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(wú)人機(jī)物體檢測(cè)算法不完全適用于它們。 因此，研究人員必須開(kāi)發(fā)自己的算法，該算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)收集攝像機(jī)記錄的所有事件，再減去無(wú)人機(jī)自身移動(dòng)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(cè)到靠近的物體

Scaramuzza和他的團(tuán)隊(duì)首先分別對(duì)攝像機(jī)和算法進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。他們將各種形狀和大小的物體扔向攝像機(jī)，測(cè)量算法檢測(cè)到物體的效率。物體的大小和投擲的距離不同，檢測(cè)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(cè)到靠近的物體。

然后就是最嚴(yán)峻的測(cè)試：將攝像機(jī)放在實(shí)際的無(wú)人機(jī)上，在室內(nèi)和室外飛行，然后直接向其投擲物體。測(cè)試結(jié)果是，無(wú)人機(jī)能夠躲避物體的概率超過(guò)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(wú)人機(jī)提前“知道”物體的大小，一臺(tái)攝像機(jī)就足夠了。而如果它不得不面對(duì)大小不同的物體時(shí)，需要使用兩個(gè)攝像頭為其提供立體視覺(jué)。

Scaramuzza認(rèn)為這些結(jié)果表明，事件攝像機(jī)可以保證無(wú)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(shuō)：“無(wú)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(shí)，使機(jī)器人能夠更快地感知并做出決策，對(duì)于其他領(lǐng)域的應(yīng)用將是變革性的，在包括汽車(chē)、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(cè)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(jì)劃在更加敏捷的四旋翼無(wú)人機(jī)上測(cè)試該系統(tǒng)。 “我們的最終目標(biāo)是使自主駕駛的無(wú)人機(jī)達(dá)到和人類(lèi)無(wú)人機(jī)飛行員一樣的水平。當(dāng)前，在涉及無(wú)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(wú)人機(jī)像人類(lèi)無(wú)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(xiàn)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(shuō)道。

此項(xiàng)目由瑞士國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)國(guó)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(wú)人機(jī)能夠成功躲避飛來(lái)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(lái)源：蘇黎世大學(xué)）

關(guān)于蘇黎世大學(xué)

蘇黎世大學(xué) 是瑞士規(guī)模最大的綜合性大學(xué)，在瑞士的高等教育領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。學(xué)校共有25,800余名學(xué)生，設(shè)有7個(gè)院系和3000多門(mén)學(xué)科，提供100多種不同的學(xué)位課程。蘇黎世大學(xué)致力于最高水平的科研和負(fù)責(zé)任的研究，為其卓越的研究和教育工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

學(xué)校積極為年輕學(xué)者提供幫助，鼓勵(lì)并支持他們開(kāi)展研究活動(dòng)，參與國(guó)際研究項(xiàng)目，與蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)等緊密合作。蘇黎世大學(xué)憑借其現(xiàn)代化的設(shè)施，與蘇黎世的文化和經(jīng)濟(jì)環(huán)境完美地融為一體，為來(lái)自全球各地的師生提供舒適宜人并能激發(fā)其創(chuàng)造力的工作學(xué)習(xí)環(huán)境。

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試驗(yàn)視頻：https://www.swissnexchina.org/wp-content/uploads/sites/4/2020/03/Dynamic-Obstacle-Avoidance-for-Quadrotors-with-Event-Cameras-Science-Robotics-2020.mp4