這架無(wú)人機可以玩躲避球，而且還贏(yíng)了

蘇黎世大學(xué)的研究人員通過(guò)使用新型攝像機演示了飛行機器人如何可以檢測并躲避快速移動(dòng)的物體。此次試驗向研發(fā)出在惡劣環(huán)境下可以更快飛行的無(wú)人機又邁出了一步，這樣它可以在更短的時(shí)間內完成更多工作。

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

幾毫秒的反應時(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）配備特殊的攝像頭和算法，將其反應時(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)研究結果發(fā)表在《科學(xué)機器人》（Science Robotics）雜志上，它將幫助無(wú)人機在自然災害等情況下發(fā)揮更大的作用。

 “對于在搜索和救援領(lǐng)域的應用（例如地震后），時(shí)間非常關(guān)鍵，因此我們需要無(wú)人機能夠盡可能快地飛行，以便在其有限的電池壽命內完成更多工作，”蘇黎世大學(xué)機器人與感知研究組以及瑞士國家科研能力中心（NCCR）機器人搜索和救援大挑戰負責人Davide Scaramuzza解釋道， “但是無(wú)人機飛行速度越快，他們與障礙物碰撞的風(fēng)險就越高，而當障礙物在移動(dòng)時(shí)，這個(gè)風(fēng)險會(huì )更高。 我們發(fā)現，動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器事件攝像機（Event Camera）這種新型攝像機非常適合此目的?！?/p>

事件攝像機的智能像素

傳統的攝像機（比如智能手機中的攝像機）的工作原理是通過(guò)持續拍攝整個(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置計算系統分析完所有像素之后才能檢測到運動(dòng)的物體。而事件攝像機具有彼此獨立工作的智能像素，未檢測到變化的像素保持不變，而檢測到光強度變化的像素則立即發(fā)送信息。這意味著(zhù)內置計算系統僅需處理圖像中一小部分像素，從而大大加快了計算速度。

事件攝像機是一項近期的研究成果，現有的無(wú)人機物體檢測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)間內收集攝像機記錄的所有事件，再減去無(wú)人機自身移動(dòng)的影響，基本可以得出攝像機看到的大部分變化。

僅3.5毫秒即可檢測到靠近的物體

Scaramuzza和他的團隊首先分別對攝像機和算法進(jìn)行單獨測試。他們將各種形狀和大小的物體扔向攝像機，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，并且該系統僅用3.5毫秒即可檢測到靠近的物體。

然后就是最嚴峻的測試：將攝像機放在實(shí)際的無(wú)人機上，在室內和室外飛行，然后直接向其投擲物體。測試結果是，無(wú)人機能夠躲避物體的概率超過(guò)90％，其中包括從三米遠處扔出的以10m/s的速度靠近的球。如果無(wú)人機提前“知道”物體的大小，一臺攝像機就足夠了。而如果它不得不面對大小不同的物體時(shí)，需要使用兩個(gè)攝像頭為其提供立體視覺(jué)。

Scaramuzza認為這些結果表明，事件攝像機可以保證無(wú)人機的可飛行速度提高多達十倍，從而擴展了其可能的應用范圍。 他說(shuō)：“無(wú)人機將被用于各種各樣的應用，比如貨物交付、人員運輸、航空攝影術(shù)，當然還有搜索和救援。與此同時(shí)，使機器人能夠更快地感知并做出決策，對于其他領(lǐng)域的應用將是變革性的，在包括汽車(chē)、良好交付、運輸、采礦和機器人的遠程檢查等領(lǐng)域中，可靠地檢測到靠近的障礙至關(guān)重要?！?/p>

幾乎與飛行員一樣可靠

該團隊計劃在更加敏捷的四旋翼無(wú)人機上測試該系統。 “我們的最終目標是使自主駕駛的無(wú)人機達到和人類(lèi)無(wú)人機飛行員一樣的水平。當前，在涉及無(wú)人機的所有搜索和救援應用中，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)人機像人類(lèi)無(wú)人機飛行員一樣可靠地導航，那么我們將能夠將其應用于超出人為視線(xiàn)范圍或遠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。

此項目由瑞士國家科學(xué)基金會(huì )通過(guò)國家機器人技術(shù)能力研究中心資助。

參考文獻:

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)人機能夠成功躲避飛來(lái)的球——即使球從三米遠的地方以10 m/s的速度接近。（圖片來(lái)源：蘇黎世大學(xué)）

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