還記得《黑鏡》中的殺人蜂嗎？蜜蜂大小、威力巨大。本以為這種微型無人機離我們很遠(yuǎn)，而現(xiàn)在出現(xiàn)了納米級無人機，僅重27g，CNN提供自主導(dǎo)航。研究人員將其開源，希望可以作出皮米級的飛行機器人。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和博洛尼亞大學(xué)的研究人員最近發(fā)明了一個名叫PULP Dronet的納米級無人機，僅重27g，可以說是目前重量最輕的無人機。這個微型無人機搭載頂尖的深度學(xué)習(xí)算法，可以在一個端到端的閉環(huán)視覺管道上運行。研究人員將相關(guān)研究發(fā)表在了《arXiv》上。
“蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和博洛尼亞大學(xué)現(xiàn)全面參與一個聯(lián)合項目：平行超低功率平臺（PULP），已經(jīng)有六年的時間了，”這項研究的參與者Daniele Palossi、Francesco Conti和Luca Benini教授表示：“
我們的任務(wù)是開發(fā)一個開放源代碼、高度可擴展的硬件和軟件平臺，以便在包絡(luò)功率只有幾毫瓦的情況下實現(xiàn)節(jié)能計算，例如物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點和微型機器人……例如幾十克重的納米無人機。”
復(fù)制昆蟲節(jié)能機制，小功率實現(xiàn)高性能
在大型和中等大小的無人機中，可用的功率預(yù)算和有效載荷能夠利用高端強大的計算設(shè)備，如英特爾、英偉達(dá)、高通等公司開發(fā)的設(shè)備。
但這些設(shè)備對于微型機器人來說不是一個可行的選擇，因為微型機器人的尺寸限制來它可以使用的功率。為了克服這些限制，研究小組決定從大自然中，特別是昆蟲身上汲取靈感。
研究人員解釋說：“在自然界中，昆蟲等微小的飛行生物能夠完成非常復(fù)雜的任務(wù)，同時在感知環(huán)境和思考時只消耗很少的能量。”我們希望利用我們的節(jié)能計算技術(shù)，從本質(zhì)上復(fù)制這一特性。”
為了復(fù)制在昆蟲身上所觀察到的節(jié)能機制，研究人員最初致力于將高端人工智能集成到納米無人機的超微小包絡(luò)功率中。事實證明，這非常具有挑戰(zhàn)性，因為它們必須滿足其能量限制和嚴(yán)格的實時計算要求。研究人員的主要目標(biāo)是以非常小的功率實現(xiàn)非常高的性能。
“我們的視覺導(dǎo)航引擎由硬件和軟件組成”研究人員表示：“前者體現(xiàn)在并行的超低功耗模式上，由DroNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)所體現(xiàn)。CNN之前是由蘇黎世大學(xué)機器人與感知小組開發(fā)，用于“資源不受約束”的大型無人機，我們用它來滿足功耗和性能的需求。”
CNN提供導(dǎo)航，及時剎車避免碰撞
這個無人機導(dǎo)航系統(tǒng)采用一個攝像頭框架，并用最先進(jìn)的CNN對其進(jìn)行處理。隨后，它決定如何糾正無人機的姿態(tài)，使其處于當(dāng)前場景的中心。同樣的CNN也識別出了障礙，如果無人機感覺到迫在眉睫的威脅，就停止它。
“基本上，我們的無人機可以沿著一條街道（或類似的道路，例如走廊）行駛，并在遇到意外障礙時避免碰撞和剎車，”研究人員說：“與以前的口袋飛行機器人相比，我們的系統(tǒng)提供的真正飛躍是，實現(xiàn)自主導(dǎo)航所需的所有操作都是直接在機身上執(zhí)行的，不需要人工操作人員，也不需要特別的基礎(chǔ)設(shè)施（比如外部攝像機或信號），尤其是沒有任何用于計算的遠(yuǎn)程基站（比如遠(yuǎn)程筆記本電腦）。”
在一系列的野外試驗中，研究人員證明他們的系統(tǒng)具有高度的響應(yīng)性，能夠防止與飛行速度為1.5 m/s的意外動態(tài)障礙物發(fā)生碰撞。他們還發(fā)現(xiàn)，他們的視覺導(dǎo)航引擎能夠在113m的新路徑上實現(xiàn)完全自主的室內(nèi)導(dǎo)航。
Palossi和他的同事們進(jìn)行的這項研究介紹了一種有效的方法，它將前所未有的智能水平與非常嚴(yán)格的功率限制相結(jié)合。這本身就讓人印象深刻，因為在口袋無人機上實現(xiàn)自主導(dǎo)航非常具有挑戰(zhàn)性，而且以前很少實現(xiàn)。
“與傳統(tǒng)的嵌入式邊緣節(jié)點相比，這里的計算不僅受到可用能量和功率預(yù)算的限制，而且還受到性能限制。”研究人員解釋說：“換句話說，如果CNN運行得太慢，無人機將無法及時作出反應(yīng)來防止碰撞或在恰當(dāng)?shù)臅r間轉(zhuǎn)彎。”
微型無人機的即時應(yīng)用
Palossi和他的同事開發(fā)的微型無人機可以有許多即時應(yīng)用。例如，一大群PULP無人機可以幫助檢查地震后倒塌的建筑物，在更短的時間內(nèi)到達(dá)救援人員無法到達(dá)的地方，操作人員就無需冒生命危險了。
研究人員表示：“人們從小巧、靈活并智能的計算節(jié)點中獲益的每一個場景現(xiàn)在都更加接近了，從動物保護(hù)到老人/兒童援助，檢查農(nóng)作物和葡萄園，探索危險區(qū)域，救援任務(wù)等等。我們希望我們的研究能提高每個人的生活質(zhì)量。”
據(jù)Palossi和他的同事們的介紹，他們最近的研究僅僅是實現(xiàn)真正的“生物水平”機載智能的第一步，還有幾個挑戰(zhàn)需要克服。在他們未來的工作中，他們將通過提高機載導(dǎo)航引擎的可靠性和智能性來解決其中的一些挑戰(zhàn)，并且瞄準(zhǔn)新的傳感器、讓無人機有更先進(jìn)的功能和更好的性能。
全部開源，目標(biāo)是做皮米級的飛行機器人
研究人員公開發(fā)布了他們所有的代碼、數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，這也可以激勵其他研究團(tuán)隊基于他們的技術(shù)開發(fā)類似的系統(tǒng)。
“從長遠(yuǎn)來看，我們的目標(biāo)是做一個皮米級的飛行機器人（幾克重、蜻蜓大?。?，并取得類似于我們現(xiàn)在的成績，”研究人員補充道：“我們相信，建立一個以我們的愿景為基礎(chǔ)的強大而堅實的研究人員和愛好者社區(qū)，將是實現(xiàn)這一最終目標(biāo)的根本。因此，我們將所有代碼和硬件設(shè)計作為開源提供給每個人。”
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