Autonomous Quadrotor System for Robust High-Speed Flight Through Cluttered Environments Without GPS
賓夕法尼亞大學 Vijay Kumar's Lab 發佈的研究成果，他們僅僅透過機載定位，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，實現自我避障。值得一提的是，在這項研究中，無人機可以預先提供這個狹小縫隙的位置和定位資訊，而不是在鑽進去的時候才能做出辨識。
蘇黎世大學機器人技術，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上的一些突破。
上圖就是蘇黎世大學研發團隊在實驗中用到的四軸無人機。（1）機載電腦；（2）向前的魚眼攝影機；（3）TeraRanger One 遠距離感應器；（4）向下攝影機；（5）PX4 自動飛手。發動機可以傾斜 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，且兩側邊緣距離僅有 10 釐米的縫隙間飛行，研究團隊使用了 752 x 480 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（ROS）的智慧手機級別的單板機 Odroid XU4 電腦的自動駕駛儀。在通過縫隙之後，無人機會使用向下距離感測器和攝影機，保持自身穩定。所有的感應和計算過程，都是在無人機機身上實現的，這意味你可以在居家環境中完成整個操作過程。
儘管整個平台是客製化的，但是大部分硬體都是標準化的。其中一個引人矚目的調整是，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越好，同時也要讓這個縫隙被無人機的攝影機，捕捉到越多越好。這個軌道基於縫隙橫斷物，所以無人機要能夠高速移動且實現側偏的定位，這麼一來，系統就需要找到第二條軌道，它可以讓無人機平穩懸停後，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影機瞄準縫隙的邊緣，持續更新和它嘗試要鑽進的空間的相關狀態估計，並且盡可能地重新規劃軌跡。假設它順利通過了縫隙（成功率大概是 80%），最後一步就是讓自己從瘋狂的速度和定位中恢復過來。
這樣的技能非常酷炫，但很難讓人不對機器人自行完成各種感應和計算的重要性大肆渲染。當然，想要將這些技能應用到現實世界中，還是存在一些門檻的：這不僅僅是讓無人機穿過窗戶，更是教會它們如何在任何環境下（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 採訪 Scaramuzza 教授的全紀錄。
IEEE Spectrum：在研發過程中，你們遇到的最大的挑戰是什麼？
Davide Scaramuzza：我覺得最大的挑戰是將感知和控制結合起來。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定位，需要確定一條軌道，它可以讓四軸無人機永遠面朝縫隙，而且可以在處理各種不確定狀態的時候，遵循車輛動力學原理，重新規劃軌道。
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劃問題上，是非常重要的，因為當無人機飛向縫隙的時候，可行軌道的數量會大大降低。另外，當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，以及它需要預先輸入數據（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影機的最佳定位，以及縫隙方向。
在短時間內，我們會選擇最佳軌道，它可以保證縫隙永遠都可以被看見，並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常快，這讓它能夠接近縫隙，並且在找到更精準的角度時，重新規劃軌道。
IEEE Spectrum：無人機可以飛成一列通過縫隙嗎？它在完成這樣的表演時，會遇到什麼限制條件？
Davide Scaramuzza：如果我們改變策略，讓無人機持續快速飛進縫隙，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，轉變成限制條件來實現。
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後、接近另一個縫隙之前的這段時間內，它更能保持平衡；另一方面，如果無人機非常笨重，那麼在快速通過縫隙之後，它的恢復過程要更長，也就是說要花費更長的時間它，才能重新飛過另一個障礙。總的來說，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。
IEEE Spectrum： 這項研究可以應用在其他方面嗎？比如避開樹木或者是路燈什麼的？
Davide Scaramuzza：當然！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。其實這些避障場景都非常相似，我們的解決方法是除了辨識外，當我們保證不會發生任何碰撞時，把槓桿的距離縮小到的極限（為了將整體飛行時間降到最短）。
IEEE Spectrum： 如果這項研究中用到的，是商業無人機或是娛樂無人機的話，會有多困難？
Davide Scaramuzza：其實並不會很難。我們只需要一個搭載在無人機身上的攝影機，一個慣性測量裝置和一台電腦。目前，幾乎所有商業無人機都有這樣的硬體配置，然後再加上合適的算法，我們就可以用它進行類似的研究了。
IEEE Spectrum：你的下一步研究計劃是？
Davide Scaramuzza：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。最後，我們希望它能夠在樹木、槓桿，和其他類似的障礙物之間實現通行。
0 comments:
張貼留言