2018世界機(jī)器人大會(huì)：如何理解精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)？

原標(biāo)題：Richard Voyles教授：如何理解精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)？

2018世界機(jī)器人大會(huì)擬于8月15日至19日在北京亦創(chuàng)國(guó)際會(huì)展中心舉行。大會(huì)以“共創(chuàng)智慧新動(dòng)能 共享開(kāi)放新時(shí)代”為主題，由“論壇”、“博覽會(huì)”、“大賽”、“地面無(wú)人系統(tǒng)展示活動(dòng)”四大版塊構(gòu)成。 本屆大賽匯聚了來(lái)自美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、日本、以色列等全球近20個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1萬(wàn)余支賽隊(duì)和數(shù)百名頂尖專(zhuān)家，共計(jì)超過(guò)5萬(wàn)多名參賽選手同臺(tái)競(jìng)技。

在此次論壇中，美國(guó)普渡大學(xué)教授Richard Voyles進(jìn)行主題演講“精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)在機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用”。

以下是演講全文：

Brad Nelson講的內(nèi)容技術(shù)性比較強(qiáng)，作為最后一位發(fā)言人，我需要把之前很多嘉賓的內(nèi)容進(jìn)行整合。剛才提到了遠(yuǎn)程感應(yīng)，保護(hù)不受輻射的影響。我自己做的是比較狹隘的領(lǐng)域，就是無(wú)人機(jī)。

我個(gè)人的履歷當(dāng)中包括電子工程、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)，曾經(jīng)在普渡、杜克明尼蘇達(dá)和斯坦福任職，曾經(jīng)在行業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界工作，大小公司、創(chuàng)始企業(yè)等等，我在三所大學(xué)都有Tenure，也有參與三所創(chuàng)始企業(yè)，同時(shí)做過(guò)政府官員，曾經(jīng)在美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家科技基金會(huì)、白宮科技政策辦公室工作，其實(shí)是科技政策辦公室機(jī)器人專(zhuān)家，我也參與過(guò)機(jī)器人處理和廢料行業(yè)的項(xiàng)目，可以看到我的背景是非常豐富的，所以今天要談的精準(zhǔn)和交互是什么意思呢？我的背景當(dāng)中還有一點(diǎn)需要大家了解，就是我有四個(gè)女兒，很多研究生都會(huì)跟我開(kāi)玩笑，我做什么事情都是三點(diǎn)，只有孩子是四個(gè)。

如何理解精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)？我要談的不是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的角度，而是從控制的角度來(lái)談這個(gè)話題，也就是空中的精準(zhǔn)控制。這里給大家提供一個(gè)背景，因?yàn)檫@個(gè)背景對(duì)我的研究非常重要，就是高度控制、力量控制和網(wǎng)絡(luò)。

首先介紹的是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，這其實(shí)是物聯(lián)網(wǎng)的前身。之前的發(fā)言人已經(jīng)提到了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念，也就是利用這些閉環(huán)的網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器人是做什么的呢？機(jī)器人其實(shí)是在世界當(dāng)中發(fā)揮作用的，不是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而是一個(gè)橋梁，它的傳感器連接了網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界，從模擬世界到數(shù)字世界，機(jī)器人可以形成這樣一個(gè)閉環(huán)，就是再?gòu)木W(wǎng)絡(luò)世界到物理世界。我在實(shí)驗(yàn)室所做的很多工作和傳統(tǒng)所說(shuō)的精確或者精準(zhǔn)不太一樣，我會(huì)強(qiáng)調(diào)是怎樣實(shí)現(xiàn)這樣一些精準(zhǔn)的，包括精準(zhǔn)無(wú)人機(jī)是一個(gè)飛行器，可以有六度的自由。

無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)其實(shí)是物聯(lián)網(wǎng)的前身，關(guān)注的是核心技術(shù)和低功耗長(zhǎng)時(shí)間的傳感，八九十年代主要是關(guān)注如何節(jié)約電池的電源，以及如何從一個(gè)臨時(shí)的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中輸入信息，也就是現(xiàn)在的云。很多人關(guān)注自組織網(wǎng)絡(luò)的形成，還有就是傳感器數(shù)據(jù)的多條路由。應(yīng)用的實(shí)例就是海洋監(jiān)測(cè)，我們協(xié)調(diào)了多個(gè)傳感器，有對(duì)鹽度的監(jiān)測(cè)傳感器，有對(duì)水活動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器，是以小時(shí)或者天作為采樣的周期，沒(méi)有反饋的控制，被應(yīng)用于氣候變化的監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有些應(yīng)用實(shí)例了，這樣的努力也給我們帶來(lái)了我們稱(chēng)為的物聯(lián)網(wǎng)。

我所思考的方向有點(diǎn)不太一樣，之前發(fā)言人提到了智慧家庭的概念，這里講的不僅僅是評(píng)估環(huán)境，而是對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。我們經(jīng)常談到的應(yīng)用領(lǐng)域叫做網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，我在實(shí)驗(yàn)室花了幾年的時(shí)間在做“智能特百惠”，我們和特百惠公司合作，打造智能廚房，實(shí)際上可以把這個(gè)廚房看作智能機(jī)器人。主要是通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低功耗，更長(zhǎng)的生命周期，也要進(jìn)行食品的類(lèi)別和數(shù)量的傳感。我們做的不是全部人類(lèi)的活動(dòng)，而是關(guān)注于智慧廚房，重點(diǎn)在于食品的準(zhǔn)備。

Lumba一開(kāi)始是有三個(gè)按鈕，后來(lái)變成了一個(gè)按鈕，也就是變得非常簡(jiǎn)單，廚房也是一樣，誰(shuí)希望在廚房的容器當(dāng)中加上一個(gè)鍵盤(pán)？這種類(lèi)型的問(wèn)題是需要我們關(guān)注的，我們需要非常簡(jiǎn)單的操作方式，同時(shí)要有非常簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，需要有技術(shù)的集群使得食品的容器能夠自動(dòng)地識(shí)別食物的類(lèi)別，然后看一看不同的食品容器怎樣基于各類(lèi)人群，因?yàn)椴煌娜嗽诩依锸褂萌萜鞯姆绞讲惶粯?，美?guó)的家庭早晨會(huì)喝麥片牛奶，使用的容器和晚上可能不一樣，因?yàn)槭怯胁煌氖称菲奉?lèi)，外表看起來(lái)是有類(lèi)似的，所以需要有些自動(dòng)識(shí)別的機(jī)制。

智能廚房需要人們幫助規(guī)劃食品和午餐，可以從剛才的一張幻燈片上看出，我們會(huì)不斷地看怎樣能夠把用戶(hù)包括在內(nèi)，尤其是用戶(hù)的體驗(yàn)包含在這個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。機(jī)器人只做傳感和思考，人類(lèi)作為實(shí)現(xiàn)這個(gè)行動(dòng)的渠道，通過(guò)人類(lèi)和智能冰箱的互動(dòng)，可能會(huì)由智能冰箱跟其它的設(shè)備相聯(lián)系，然后給人們提供冰箱當(dāng)中儲(chǔ)存食品的信息，這樣我們開(kāi)發(fā)的一些項(xiàng)目就要做一個(gè)以控制為核心的架構(gòu)。我們知道無(wú)線傳感器有很多的節(jié)點(diǎn)，這是我們和賓夕法尼亞大學(xué)合作的微節(jié)點(diǎn)，這些微節(jié)點(diǎn)和其它的宏節(jié)點(diǎn)結(jié)合，以便創(chuàng)造出無(wú)線的傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

我們開(kāi)發(fā)的另外一個(gè)伴生的產(chǎn)品叫做變形總線，主要是為了適應(yīng)各種傳感器和驅(qū)動(dòng)器。我們把變形總線作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)性的產(chǎn)品推出，和常規(guī)總線不太一樣，常規(guī)總線收集傳感數(shù)據(jù)的時(shí)候是這樣一個(gè)流程，希望的是傳感器和CPU相溝通，然后把其它的內(nèi)容放進(jìn)去，利用總線的溝通傳感功能。這種常規(guī)總線結(jié)構(gòu)當(dāng)中，我們希望傳感器能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行一些轉(zhuǎn)換，也希望CPU能夠做一些思考，所以在變形總線當(dāng)中我們的轉(zhuǎn)型器會(huì)在整個(gè)總線當(dāng)中移動(dòng)，利用這些基于設(shè)備的信號(hào)更加有效地對(duì)傳感器進(jìn)行變形。如果看總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是完全嶄新的結(jié)構(gòu)，但是一個(gè)多極并聯(lián)的總線。

這里我們看到的是高性能的節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)出了宏節(jié)點(diǎn)和微節(jié)點(diǎn)，可以具有重新編程的功能，而且是自適應(yīng)的軟件，我們利用總線當(dāng)中的架構(gòu)幫助這些系統(tǒng)。比如我們的無(wú)人機(jī)和機(jī)器人，能夠適應(yīng)改變的環(huán)境，使得軟件編程師的工作更加容易，可以設(shè)計(jì)一些系統(tǒng)，能夠適應(yīng)變化的環(huán)境。這些元素怎么和剛才我們提到的網(wǎng)絡(luò)相連接？我們的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中并不只是計(jì)算節(jié)點(diǎn)，要有傳感節(jié)點(diǎn)、思考節(jié)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，比如精準(zhǔn)無(wú)人機(jī)是物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界之間連接的橋梁，驅(qū)動(dòng)器的控制網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線傳感器相連，要驅(qū)動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界智慧家庭，需要驅(qū)動(dòng)實(shí)際的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)。這就涉及到物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)了，所以和傳統(tǒng)上講的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是有些不同。

剛才談到很多帶有節(jié)點(diǎn)的機(jī)器人，我們采用了可重構(gòu)節(jié)點(diǎn)的履帶機(jī)器人，主要應(yīng)用于一些災(zāi)難的救援。我們的爬行器是非常小的設(shè)備，可以進(jìn)行搜救，也可以在廢墟上面尋找那些幸存者，實(shí)際的突發(fā)情況當(dāng)中需要找到被廢墟掩埋的那些幸存者。我們也開(kāi)發(fā)出了Modern-Ship機(jī)器人，可以從這張圖看得很清楚，我們的實(shí)驗(yàn)室除了基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)集成以外，我們關(guān)注的一方面是如何進(jìn)行傳感和思考，并且如何進(jìn)行功能整合，這樣才能真正做成實(shí)用的機(jī)器人。我們也和很多其它的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，因?yàn)槲覀冎啦](méi)有解決所有問(wèn)題的能力。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面我們也在做一些嘗試，這里講的無(wú)論是精準(zhǔn)還是互動(dòng)其實(shí)都需要對(duì)機(jī)器人非常精準(zhǔn)的操控，我們的實(shí)驗(yàn)室研究也是在過(guò)去的幾十年的方向當(dāng)中不斷調(diào)整。

互動(dòng)的無(wú)人機(jī)到底應(yīng)該是什么樣子的呢？這是一個(gè)非常老的例子，可以說(shuō)主要是空中操作移動(dòng)的系統(tǒng)，能夠移動(dòng)一個(gè)非常重的物體。這里重點(diǎn)要關(guān)注的是這一群人，可以看到上面的無(wú)人機(jī)，這是一個(gè)載人的飛機(jī)，實(shí)際上是在做一個(gè)重力補(bǔ)償，也是在做非常精準(zhǔn)的調(diào)校和組裝。這個(gè)領(lǐng)域也是大家都在關(guān)注的領(lǐng)域，也就是空中的操控。當(dāng)然，考慮的不僅僅是X軸和Y軸，必須要考慮到多維的操控。最近大家都在研究六旋翼無(wú)人機(jī)，也就是實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的無(wú)人機(jī)，可以進(jìn)行更為精準(zhǔn)的力量控制，我們希望實(shí)現(xiàn)的是高度的控制和方向的控制。

這是之前我們?cè)跓o(wú)人機(jī)方面做的一些早期的工作，和視頻比較相似的是，這里大家可以看到，由于可以轉(zhuǎn)向不同的自由度，同樣也可以在不同的方向施加力量，也在推動(dòng)很多工作和應(yīng)用的發(fā)展。因?yàn)楹椭車(chē)h(huán)境的精準(zhǔn)互動(dòng)是非常重要的，也就是將虛擬世界的信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際的行動(dòng)，這些旋翼是通過(guò)在空中使用，它的精準(zhǔn)度肯定不如地面上那么精準(zhǔn)。藍(lán)色的線是理想的曲線，其實(shí)是用來(lái)衡量扭矩的，需要考慮力量的大小和高度，紅色的線是具體使用的效率。

我們通過(guò)這種方式和物理世界進(jìn)行互動(dòng)，可以應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具體的配置也要進(jìn)一步優(yōu)化，讓其在不同的高度實(shí)現(xiàn)不同的精度運(yùn)轉(zhuǎn)，這種多旋翼的無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的。如何能夠優(yōu)化無(wú)人機(jī)，本身要能夠做得更為精準(zhǔn)，也是非常重要的一項(xiàng)工作。之前我們也是和農(nóng)業(yè)部進(jìn)行合作，過(guò)去的幾十年在開(kāi)發(fā)核電站，有些技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，有些設(shè)施已經(jīng)達(dá)到了生命的終點(diǎn)，現(xiàn)在需要摧毀某些設(shè)施，有些可能無(wú)法用人接近或者接觸，這樣能夠進(jìn)一步減少對(duì)人的污染。

我們做的是一些實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)不同的配置下看到不同的效果。因?yàn)檫@是對(duì)無(wú)人機(jī)性能進(jìn)行調(diào)校，讓它實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的表現(xiàn)，所以這張圖實(shí)際上就是我們測(cè)試的結(jié)果，看一看如何能夠?qū)λ呐渲眠M(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。我們也和SIFI WORK一起做了一些工作，看一看如何能夠更好地作出產(chǎn)品的原型，能夠?qū)崿F(xiàn)這些無(wú)人機(jī)更精準(zhǔn)的控制，比如消費(fèi)產(chǎn)品的領(lǐng)域當(dāng)中如何實(shí)現(xiàn)更好的效果。實(shí)際上優(yōu)化以后表現(xiàn)確實(shí)是更好了，無(wú)論是哪個(gè)設(shè)計(jì)上都比以前更好一些。

這樣會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題，雖然有些技術(shù)細(xì)節(jié)，比如我是那個(gè)無(wú)人機(jī)的話，想要旋翼旋轉(zhuǎn)，一種是要和旋臂垂直旋轉(zhuǎn)，另外就是平行向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。折和固定翼非常相似，有些飛機(jī)是平行翼，有些飛機(jī)是傾斜翼，這種傾斜翼會(huì)對(duì)飛行有些特殊的影響，這里我們還是對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，看一看在力上面能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的效果。無(wú)論是從哪個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，我們都要對(duì)其實(shí)現(xiàn)最好的調(diào)校，考慮到空氣動(dòng)力學(xué)的影響，稍做調(diào)整就可以移動(dòng)得更快。實(shí)際上這種上反角效應(yīng)即使是四旋翼的無(wú)人機(jī)，可能在實(shí)際的飛行速度上都會(huì)有20%的誤差。

總結(jié)一下我們?yōu)槭裁匆褌鞲芯W(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在這些領(lǐng)域當(dāng)中，比如核廢物的分離，這樣人就不用自己去做了。美國(guó)能源部有一個(gè)廢物隔離實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，里面有很多核廢物，也有一個(gè)非常深的井，大概有600多米，還有普利茅斯的氣體擴(kuò)散場(chǎng)，把地下的污染氣體引出來(lái)。當(dāng)然，也有一些低密度的氣體，希望將這些氣體擴(kuò)散限制在有限的范圍內(nèi)。這種擴(kuò)散場(chǎng)大概有1英里的長(zhǎng)度，但我們無(wú)法用一個(gè)無(wú)人機(jī)覆蓋所有的地方，因?yàn)榭赡芤占恍埩粑锏臉颖?，之后只有將前期的工作做好才能正式拆除?br />
我們采用一些簡(jiǎn)單的方式解決這些問(wèn)題，很多設(shè)施都是美國(guó)能源部的東西，所以沒(méi)有辦法播放演示視頻了。普渡大學(xué)也得到了其他機(jī)構(gòu)的支持，我們也在這里做了很多實(shí)驗(yàn)，同樣也是看一看，一方面能夠減少對(duì)用戶(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谟泻芏喙と酥霸谀抢锕ぷ鳎硪环矫嫘枰獙⒐S進(jìn)行清理，減少對(duì)人們的傷害。