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鉆窗戶不在話下 蘇黎世大學(xué)打造避障無人機(jī)

發(fā)布日期:2016-10-05??來源:機(jī)器人網(wǎng)我要投稿我要評(píng)論
 

(原標(biāo)題:蘇黎世大學(xué)打造避障無人機(jī) 鉆窗戶不在話下)

幾周前,我們發(fā)布了賓夕法尼亞大學(xué)VijayKumar‘sLab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(gè)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(shí)現(xiàn)自我避障。值得一提的是,在這項(xiàng)研究中,無人機(jī)可以預(yù)先提供這個(gè)狹小縫隙的位置和定位信息,而不是在鉆進(jìn)去的時(shí)候才能做出識(shí)別。

27日,蘇黎世大學(xué)機(jī)器人技術(shù)和感知研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)化國際會(huì)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(dòng)避障無人機(jī)相似的功能,但功能的實(shí)現(xiàn)不是都靠機(jī)身搭載物(包括感知障礙),這就是它們?cè)谧詣?dòng)化開發(fā)上的一些突破。

鉆窗戶不在話下 蘇黎世大學(xué)打造避障無人機(jī)

下圖就是蘇黎世大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中用到的四軸無人機(jī)。(1)機(jī)載計(jì)算機(jī);(2)向前的魚眼攝像機(jī);(3)TeraRangerOne遠(yuǎn)距離感應(yīng)器;(4)向下攝像機(jī);(5)PX4自動(dòng)飛手。發(fā)動(dòng)機(jī)可以傾斜15度,提供三倍的偏航控制,同時(shí)集體推力只會(huì)降低3%。

鉆窗戶不在話下 蘇黎世大學(xué)打造避障無人機(jī)

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(duì)使用了752x480像素、搭載了180度視場(chǎng)的透鏡和一個(gè)型號(hào)為PX4FMU,搭載了慣性測(cè)量裝置和用機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)的智能手機(jī)級(jí)別的單板機(jī)OdroidXU4電腦的自動(dòng)駕駛儀。在通過縫隙之后,無人機(jī)會(huì)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(jì)算過程都是在無人機(jī)機(jī)身上實(shí)現(xiàn)的,這意味你可以在居家環(huán)境中完成整個(gè)操作過程。盡管整個(gè)平臺(tái)是定制的,但是大部分硬件都是標(biāo)準(zhǔn)化的。其中一個(gè)引人矚目的調(diào)整是,無人機(jī)的旋翼傾斜了15度,這在對(duì)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?yàn)樗妮S無人機(jī)在接近縫隙時(shí),角速度最高可達(dá)每秒400度。

真實(shí)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(huì)通過它身上搭載的攝像機(jī)對(duì)縫隙進(jìn)行定位。接著,它會(huì)計(jì)算出一個(gè)可以通過縫隙的軌道,這個(gè)軌道要讓無人機(jī)離邊緣越遠(yuǎn)越好,同時(shí)也要讓這個(gè)縫隙被無人機(jī)的攝像機(jī)捕捉到越多越好。這個(gè)軌道基于縫隙橫斷物,所以無人機(jī)要能夠高速移動(dòng)且實(shí)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(gè)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(huì)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(jì),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(duì)機(jī)器人自行完成各種感應(yīng)和計(jì)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(shí)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(huì)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。

IEEESpectrum:在研發(fā)過程中,你們遇到的最大的挑戰(zhàn)是什么?

DavideScaramuzza: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(shí)際上,要機(jī)器人針對(duì)縫隙實(shí)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(shí)候,遵循車輛動(dòng)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(gè)簡單的軌道規(guī)劃問題上是非常重要的,因?yàn)楫?dāng)無人機(jī)飛向縫隙的時(shí)候,可行軌道的數(shù)量會(huì)大大降低。另外,當(dāng)無人機(jī)離縫隙非常近的時(shí)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(gè)步驟解決這些問題。我們計(jì)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(cè)多個(gè)備選軌道,針對(duì)每個(gè)備選軌道,我們會(huì)計(jì)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(shí)間內(nèi),我們會(huì)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(gè)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(shí),重新規(guī)劃軌道。IEEESpectrum: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(shí),會(huì)遇到什么限制條件?

DavideScaramuzza: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(gè)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(diǎn)可以通過將它的重量/慣性轉(zhuǎn)變成限制條件來實(shí)現(xiàn)。如果使用一個(gè)小型且敏捷的四軸無人機(jī)的話,在穿過第一個(gè)縫隙之后、接近另一個(gè)縫隙之前的這段時(shí)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(fèi)更長的時(shí)間它才能重新飛過另一個(gè)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(gè)縫隙障礙之間的距離了。

IEEESpectrum:這項(xiàng)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?

DavideScaramuzza: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(duì)的挑戰(zhàn)。其實(shí)這些避障場(chǎng)景都非常相似,我們的解決方法是除了識(shí)別外,當(dāng)我們保證不會(huì)發(fā)生任何碰撞時(shí),把杠桿的距離縮小到的極限(為了將整體飛行時(shí)間降到最短)。

IEEESpectrum:如果這項(xiàng)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(huì)有多困難?

DavideScaramuzza:其實(shí)并不會(huì)很難。我們只需要一個(gè)搭載在無人機(jī)身上的攝像機(jī),一個(gè)慣性測(cè)量裝置和一臺(tái)計(jì)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。

IEEESpectrum:您的下一步研究計(jì)劃是?

DavideScaramuzza:我們計(jì)劃將這項(xiàng)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(gè)縫隙;另一方面,我們會(huì)讓縫隙動(dòng)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(shí)現(xiàn)通行。

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