（原標(biāo)題：蘇黎世大學(xué)打造避障無人機 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，他們僅僅通過機載定位，就可以讓四軸無人機快速通過狹小的縫隙。這個重大研究成果意味著無人機可以不再依賴外部定位系統(tǒng)，實現(xiàn)自我避障。值得一提的是，在這項研究中，無人機可以預(yù)先提供這個狹小縫隙的位置和定位信息，而不是在鉆進去的時候才能做出識別。

27日，蘇黎世大學(xué)機器人技術(shù)和感知研究團隊的帶頭人Davide Falanga, Elias Mueggler, Matthias Faessler和Davide Scaramuzza教授分享了一些他們投給2017年IEEE機器人與自動化國際會議（ICRA）的研究成果。他們的研究中涉及到的無人機具備與上文提到的自動避障無人機相似的功能，但功能的實現(xiàn)不是都靠機身搭載物（包括感知障礙），這就是它們在自動化開發(fā)上的一些突破。

下圖就是蘇黎世大學(xué)研發(fā)團隊在實驗中用到的四軸無人機。（1）機載計算機；（2）向前的魚眼攝像機；（3）TeraRangerOne遠(yuǎn)距離感應(yīng)器；（4）向下攝像機；（5）PX4自動飛手。發(fā)動機可以傾斜15度，提供三倍的偏航控制，同時集體推力只會降低3%。

為了讓這些無人機在體積比它們大1.5倍，且兩側(cè)邊緣距離僅有10厘米的縫隙間飛行，研究團隊使用了752x480像素、搭載了180度視場的透鏡和一個型號為PX4FMU，搭載了慣性測量裝置和用機器人操作系統(tǒng)（ROS）的智能手機級別的單板機OdroidXU4電腦的自動駕駛儀。在通過縫隙之后，無人機會使用向下距離傳感器和攝像機保持自身穩(wěn)定。所有的感應(yīng)和計算過程都是在無人機機身上實現(xiàn)的，這意味你可以在居家環(huán)境中完成整個操作過程。盡管整個平臺是定制的，但是大部分硬件都是標(biāo)準(zhǔn)化的。其中一個引人矚目的調(diào)整是，無人機的旋翼傾斜了15度，這在對推力沒有影響的情況下，將偏航控制提高了三倍。強大的偏航控制非常重要，因為四軸無人機在接近縫隙時，角速度最高可達(dá)每秒400度。

真實世界中，無人機穿過窗戶的全過程是這樣的：首先，無人機會通過它身上搭載的攝像機對縫隙進行定位。接著，它會計算出一個可以通過縫隙的軌道，這個軌道要讓無人機離邊緣越遠(yuǎn)越好，同時也要讓這個縫隙被無人機的攝像機捕捉到越多越好。這個軌道基于縫隙橫斷物，所以無人機要能夠高速移動且實現(xiàn)側(cè)偏的定位，這么一來，系統(tǒng)就需要找到第二條軌道，它可以讓無人機平穩(wěn)懸停后在縫隙中穿越軌跡。如果將這兩個軌道放在一起，就可以確定通過縫隙的路徑了。

一旦無人機向縫隙前進，它會盡可能地保證它的攝像機瞄準(zhǔn)縫隙的邊緣，持續(xù)更新和它嘗試要鉆進的空間的相關(guān)狀態(tài)估計，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?，但很難讓人不對機器人自行完成各種感應(yīng)和計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)實世界中，還是存在一些門檻的：這不僅僅是讓無人機穿過窗戶，更是教會它們?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。實際上，要機器人針對縫隙實現(xiàn)定位，需要確定一條軌道，它可以讓四軸無人機永遠(yuǎn)面朝縫隙，而且可以在處理各種不確定狀態(tài)的時候，遵循車輛動力學(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簡單的軌道規(guī)劃問題上是非常重要的，因為當(dāng)無人機飛向縫隙的時候，可行軌道的數(shù)量會大大降低。另外，當(dāng)無人機離縫隙非常近的時候，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。

我們可以用兩個步驟解決這些問題。我們計算了一條可以讓無人機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，它讓我們可以估測多個備選軌道，針對每個備選軌道，我們會計算無人機和裝載的攝像機的最佳定位以及縫隙方向。在短時間內(nèi)，我們會選擇最佳軌道，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。這個方法還可以讓無人機飛行得非?？?，這讓它能夠接近縫隙并且在找到更精準(zhǔn)的角度時，重新規(guī)劃軌道。IEEESpectrum：無人機可以飛成一列通過縫隙嗎？它在完成這樣的表演時，會遇到什么限制條件？

DavideScaramuzza：如果我們改變策略，讓無人機持續(xù)快速飛進縫隙，而不是將它們固定在某個盤旋的位置上的話，它們是可以列陣飛過的。主要的限制就是無人機自身的敏捷度，這一點可以通過將它的重量/慣性轉(zhuǎn)變成限制條件來實現(xiàn)。如果使用一個小型且敏捷的四軸無人機的話，在穿過第一個縫隙之后、接近另一個縫隙之前的這段時間內(nèi)，它更能保持平衡；另一方面，如果無人機非常笨重，那么在快速通過縫隙之后，它的恢復(fù)過程要更長，也就是說要花費更長的時間它才能重新飛過另一個障礙?？偟膩碚f，如果無人機的重量減小了，我們就可以縮短每個縫隙障礙之間的距離了。

IEEESpectrum：這項研究可以應(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的挑戰(zhàn)。其實這些避障場景都非常相似，我們的解決方法是除了識別外，當(dāng)我們保證不會發(fā)生任何碰撞時，把杠桿的距離縮小到的極限（為了將整體飛行時間降到最短）。

IEEESpectrum：如果這項研究中用到的是商業(yè)無人機或是娛樂無人機的話，會有多困難？

DavideScaramuzza：其實并不會很難。我們只需要一個搭載在無人機身上的攝像機，一個慣性測量裝置和一臺計算機。目前，幾乎所有商業(yè)無人機都有這樣的硬件配置，然后再加上合適的算法，我們就可以用它進行類似的研究了。

IEEESpectrum：您的下一步研究計劃是？

DavideScaramuzza：我們計劃將這項研究變得更加多元化。一方面，我們要讓無人機在不停止的情況下通過多個縫隙；另一方面，我們會讓縫隙動起來，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現(xiàn)通行。