(原標(biāo)題：蘇黎世大學(xué)打造多類避障無人機(jī),鉆窗戶也不在話下)
幾周前，我們發(fā)布了賓夕法尼亞大學(xué)Vijay Kumar's Lab的研究成果，他們僅僅通過機(jī)載定位，就可以讓四軸無人機(jī)快速通過狹小的縫隙。這個重大研究成果意味著無人機(jī)可以不再依賴外部定位系統(tǒng)，實現(xiàn)自我避障。值得一提的是，在這項研究中，無人機(jī)可以預(yù)先提供這個狹小縫隙的位置和定位信息，而不是在鉆進(jìn)去的時候才能做出識別。
27日，蘇黎世大學(xué)機(jī)器人技術(shù)和感知研究團(tuán)隊的帶頭人Davide Falanga, Elias Mueggler, Matthias Faessler和Davide Scaramuzza教授分享了一些他們投給2017年IEEE機(jī)器人與自動化國際會議(ICRA)的研究成果。他們的研究中涉及到的無人機(jī)具備與上文提到的自動避障無人機(jī)相似的功能，但功能的實現(xiàn)不是都靠機(jī)身搭載物(包括感知障礙)，這就是它們在自動化開發(fā)上的一些突破。
上圖就是蘇黎世大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊在實驗中用到的四軸無人機(jī)。(1)機(jī)載計算機(jī);(2)向前的魚眼攝像機(jī);(3)TeraRanger One遠(yuǎn)距離感應(yīng)器;(4)向下攝像機(jī);(5)PX4自動飛手。發(fā)動機(jī)可以傾斜15度，提供三倍的偏航控制，同時集體推力只會降低3%。
為了讓這些無人機(jī)在體積比它們大1.5倍，且兩側(cè)邊緣距離僅有10厘米的縫隙間飛行，研究團(tuán)隊使用了752 x 480像素、搭載了180度視場的透鏡和一個型號為PX4FMU，搭載了慣性測量裝置和用機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)的智能手機(jī)級別的單板機(jī)Odroid XU4 電腦的自動駕駛儀。在通過縫隙之后，無人機(jī)會使用向下距離傳感器和攝像機(jī)保持自身穩(wěn)定。所有的感應(yīng)和計算過程都是在無人機(jī)機(jī)身上實現(xiàn)的，這意味你可以在居家環(huán)境中完成整個操作過程。
盡管整個平臺是定制的，但是大部分硬件都是標(biāo)準(zhǔn)化的。其中一個引人矚目的調(diào)整是，無人機(jī)的旋翼傾斜了15度，這在對推力沒有影響的情況下，將偏航控制提高了三倍。強(qiáng)大的偏航控制非常重要，因為四軸無人機(jī)在接近縫隙時，角速度最高可達(dá)每秒400度。
真實世界中，無人機(jī)穿過窗戶的全過程是這樣的：首先，無人機(jī)會通過它身上搭載的攝像機(jī)對縫隙進(jìn)行定位。接著，它會計算出一個可以通過縫隙的軌道，這個軌道要讓無人機(jī)離邊緣越遠(yuǎn)越好，同時也要讓這個縫隙被無人機(jī)的攝像機(jī)捕捉到越多越好。這個軌道基于縫隙橫斷物，所以無人機(jī)要能夠高速移動且實現(xiàn)側(cè)偏的定位，這么一來，系統(tǒng)就需要找到第二條軌道，它可以讓無人機(jī)平穩(wěn)懸停后在縫隙中穿越軌跡。如果將這兩個軌道放在一起，就可以確定通過縫隙的路徑了。
一旦無人機(jī)向縫隙前進(jìn)，它會盡可能地保證它的攝像機(jī)瞄準(zhǔn)縫隙的邊緣，持續(xù)更新和它嘗試要鉆進(jìn)的空間的相關(guān)狀態(tài)估計，并且盡可能地重新規(guī)劃軌跡。假設(shè)它順利通過了縫隙(成功率大概是80%)，最后一步就是讓自己從瘋狂的速度和定位中恢復(fù)過來。
這樣的技能非?？犰?，但很難讓人不對機(jī)器人自行完成各種感應(yīng)和計算的重要性大肆渲染。當(dāng)然，想要將這些技能應(yīng)用到現(xiàn)實世界中，還是存在一些門檻的：這不僅僅是讓無人機(jī)穿過窗戶，更是教會它們?nèi)绾卧谌魏苇h(huán)境下(從熱帶雨林，到城市地貌，到你的臥室)，可靠地快速通過各種障礙。
以下是IEEE采訪Scaramuzza教授的全紀(jì)錄。
IEEE Spectrum：在研發(fā)過程中，你們遇到的最大的挑戰(zhàn)是什么?
Davide Scaramuzza：我覺得最大的挑戰(zhàn)是將感知和控制結(jié)合起來。要知道，人們總覺得這兩部分是分開的。實際上，要機(jī)器人針對縫隙實現(xiàn)定位，需要確定一條軌道，它可以讓四軸無人機(jī)永遠(yuǎn)面朝縫隙，而且可以在處理各種不確定狀態(tài)的時候，遵循車輛動力學(xué)原理，重新規(guī)劃軌道。另外，在通過縫隙的過程中，無人機(jī)需要與縫隙的邊緣保持盡可能大的距離，防止碰撞。將所有限制融合到一個簡單的軌道規(guī)劃問題上是非常重要的，因為當(dāng)無人機(jī)飛向縫隙的時候，可行軌道的數(shù)量會大大降低。另外，當(dāng)無人機(jī)離縫隙非常近的時候，它就看不到這條縫隙了，這讓它可以在沒有任何視覺反饋(即全盲)的情況下順利通過縫隙。
我們可以用兩個步驟解決這些問題。我們計算了一條可以讓無人機(jī)在全盲條件下通過縫隙的方法，這多虧了縫隙長度較短以及它需要預(yù)先輸入數(shù)據(jù)(即給定幅度和零角速度)。要通過縫隙，我們使用了生成軌道法，它讓我們可以估測多個備選軌道，針對每個備選軌道，我們會計算無人機(jī)和裝載的攝像機(jī)的最佳定位以及縫隙方向。在短時間內(nèi)，我們會選擇最佳軌道，它可以保證縫隙永遠(yuǎn)都可以被看見，并且縫隙的中心離圖像的中心非常近。這個方法還可以讓無人機(jī)飛行得非?？欤@讓它能夠接近縫隙并且在找到更精準(zhǔn)的角度時，重新規(guī)劃軌道。
IEEE Spectrum：無人機(jī)可以飛成一列通過縫隙嗎?它在完成這樣的表演時，會遇到什么限制條件?
Davide Scaramuzza：如果我們改變策略，讓無人機(jī)持續(xù)快速飛進(jìn)縫隙，而不是將它們固定在某個盤旋的位置上的話，它們是可以列陣飛過的。主要的限制就是無人機(jī)自身的敏捷度，這一點可以通過將它的重量/慣性轉(zhuǎn)變成限制條件來實現(xiàn)。如果使用一個小型且敏捷的四軸無人機(jī)的話，在穿過第一個縫隙之后、接近另一個縫隙之前的這段時間內(nèi)，它更能保持平衡;另一方面，如果無人機(jī)非常笨重，那么在快速通過縫隙之后，它的恢復(fù)過程要更長，也就是說要花費更長的時間它才能重新飛過另一個障礙。總的來說，如果無人機(jī)的重量減小了，我們就可以縮短每個縫隙障礙之間的距離了。
IEEE Spectrum：這項研究可以應(yīng)用在其他方面嗎?比如避開樹木或者是路燈什么的?
Davide Scaramuzza：當(dāng)然!避開像樹木和路燈這樣的障礙是我們接下來即將面對的挑戰(zhàn)。其實這些避障場景都非常相似，我們的解決方法是除了識別外，當(dāng)我們保證不會發(fā)生任何碰撞時，把杠桿的距離縮小到的極限(為了將整體飛行時間降到最短)。
IEEE Spectrum：如果這項研究中用到的是商業(yè)無人機(jī)或是娛樂無人機(jī)的話，會有多困難?
Davide Scaramuzza：其實并不會很難。我們只需要一個搭載在無人機(jī)身上的攝像機(jī)，一個慣性測量裝置和一臺計算機(jī)。目前，幾乎所有商業(yè)無人機(jī)都有這樣的硬件配置，然后再加上合適的算法，我們就可以用它進(jìn)行類似的研究了。
IEEE Spectrum：您的下一步研究計劃是?
Davide Scaramuzza：我們計劃將這項研究變得更加多元化。一方面，我們要讓無人機(jī)在不停止的情況下通過多個縫隙;另一方面，我們會讓縫隙動起來，或是在靜止的縫隙上安置懸浮荷載。最后，我們希望它能夠在樹木、杠桿和其他類似的障礙物之間實現(xiàn)通行。
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