苏黎世大学打造多类避障无人机,钻窗户也不在话下

  • 2018-10-05 08:03
  • 雷锋网

  上图就是苏黎世大学研发团队在实验中用到的四轴无人机。(1)机载计算机;(2)向前的鱼眼摄像机;(3)TeraRanger One远距离感应器;(4)向下摄像机;(5)PX4自动飞手。发动机可以倾斜15度,提供三倍的偏航控制,同时集体推力只会降低3%。

  为了让这些无人机在体积比它们大1.5倍,且两侧边缘距离仅有10厘米的缝隙间飞行,研究团队使用了752 x 480像素、搭载了180度视场的透镜和一个型号为PX4FMU,搭载了惯性测量装置和用机器人操作系统(ROS)的智能手机级别的单板机Odroid XU4 电脑的自动驾驶仪。在通过缝隙之后,无人机会使用向下距离传感器和摄像机保持自身稳定。所有的感应和计算过程都是在无人机机身上实现的,这意味你可以在居家环境中完成整个操作过程。

  尽管整个平台是定制的,但是大部分硬件都是标准化的。其中一个引人瞩目的调整是,无人机的旋翼倾斜了15度,这在对推力没有影响的情况下,将偏航控制提高了三倍。强大的偏航控制非常重要,因为四轴无人机在接近缝隙时,角速度最高可达每秒400度。

  真实世界中,无人机穿过窗户的全过程是这样的:首先,无人机会通过它身上搭载的摄像机对缝隙进行定位。接着,它会计算出一个可以通过缝隙的轨道,这个轨道要让无人机离边缘越远越好,同时也要让这个缝隙被无人机的摄像机捕捉到越多越好。这个轨道基于缝隙横断物,所以无人机要能够高速移动且实现侧偏的定位,这么一来,系统就需要找到第二条轨道,它可以让无人机平稳悬停后在缝隙中穿越轨迹。如果将这两个轨道放在一起,就可以确定通过缝隙的路径了。

  一旦无人机向缝隙前进,它会尽可能地保证它的摄像机瞄准缝隙的边缘,持续更新和它尝试要钻进的空间的相关状态估计,并且尽可能地重新规划轨迹。假设它顺利通过了缝隙(成功率大概是80%),最后一步就是让自己从疯狂的速度和定位中恢复过来。

  这样的技能非常酷炫,但很难让人不对机器人自行完成各种感应和计算的重要性大肆渲染。当然,想要将这些技能应用到现实世界中,还是存在一些门槛的:这不仅仅是让无人机穿过窗户,更是教会它们如何在任何环境下(从热带雨林,到城市地貌,到你的卧室),可靠地快速通过各种障碍。

  以下是IEEE采访Scaramuzza教授的全纪录。

  IEEE Spectrum: 在研发过程中,你们遇到的最大的挑战是什么?

  Davide Scaramuzza: 我觉得最大的挑战是将感知和控制结合起来。要知道,人们总觉得这两部分是分开的。实际上,要机器人针对缝隙实现定位,需要确定一条轨道,它可以让四轴无人机永远面朝缝隙,而且可以在处理各种不确定状态的时候,遵循车辆动力学原理,重新规划轨道。另外,在通过缝隙的过程中,无人机需要与缝隙的边缘保持尽可能大的距离,防止碰撞。将所有限制融合到一个简单的轨道规划问题上是非常重要的,因为当无人机飞向缝隙的时候,可行轨道的数量会大大降低。另外,当无人机离缝隙非常近的时候,它就看不到这条缝隙了,这让它可以在没有任何视觉反馈(即全盲)的情况下顺利通过缝隙。

  我们可以用两个步骤解决这些问题。我们计算了一条可以让无人机在全盲条件下通过缝隙的方法,这多亏了缝隙长度较短以及它需要预先输入数据(即给定幅度和零角速度)。要通过缝隙,我们使用了生成轨道法,它让我们可以估测多个备选轨道,针对每个备选轨道,我们会计算无人机和装载的摄像机的最佳定位以及缝隙方向。在短时间内,我们会选择最佳轨道,它可以保证缝隙永远都可以被看见,并且缝隙的中心离图像的中心非常近。这个方法还可以让无人机飞行得非常快,这让它能够接近缝隙并且在找到更精准的角度时,重新规划轨道。

  IEEE Spectrum: 无人机可以飞成一列通过缝隙吗?它在完成这样的表演时,会遇到什么限制条件?

  Davide Scaramuzza: 如果我们改变策略,让无人机持续快速飞进缝隙,而不是将它们固定在某个盘旋的位置上的话,它们是可以列阵飞过的。主要的限制就是无人机自身的敏捷度,这一点可以通过将它的重量/惯性转变成限制条件来实现。如果使用一个小型且敏捷的四轴无人机的话,在穿过第一个缝隙之后、接近另一个缝隙之前的这段时间内,它更能保持平衡;另一方面,如果无人机非常笨重,那么在快速通过缝隙之后,它的恢复过程要更长,也就是说要花费更长的时间它才能重新飞过另一个障碍。总的来说,如果无人机的重量减小了,我们就可以缩短每个缝隙障碍之间的距离了。

  IEEE Spectrum: 这项研究可以应用在其他方面吗?比如避开树木或者是路灯什么的?

  Davide Scaramuzza: 当然!避开像树木和路灯这样的障碍是我们接下来即将面对的挑战。其实这些避障场景都非常相似,我们的解决方法是除了识别外,当我们保证不会发生任何碰撞时,把杠杆的距离缩小到的极限(为了将整体飞行时间降到最短)。

  IEEE Spectrum: 如果这项研究中用到的是商业无人机或是娱乐无人机的话,会有多困难?

  Davide Scaramuzza: 其实并不会很难。我们只需要一个搭载在无人机身上的摄像机,一个惯性测量装置和一台计算机。目前,几乎所有商业无人机都有这样的硬件配置,然后再加上合适的算法,我们就可以用它进行类似的研究了。

  IEEE Spectrum: 您的下一步研究计划是?

  Davide Scaramuzza: 我们计划将这项研究变得更加多元化。一方面,我们要让无人机在不停止的情况下通过多个缝隙;另一方面,我们会让缝隙动起来,或是在静止的缝隙上安置悬浮荷载。最后,我们希望它能够在树木、杠杆和其他类似的障碍物之间实现通行。

  (原标题:苏黎世大学打造多类避障无人机,钻窗户也不在话下|缝隙|无人机|可以)

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