AIR 053 | 賓夕法尼亞Vijay Kumar：無(wú)人機(jī)的“5s”趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)、IEEE、ASME Fellow，美國(guó)國(guó)家工程院院士Vijay Kumar在國(guó)際有極高的人氣，他在空中機(jī)器人（無(wú)人機(jī)）領(lǐng)域無(wú)論是學(xué)術(shù)還是成果都有極大的成就，在本次CCF-GAIR全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)，Vijay Kumar在報(bào)告中提出了無(wú)人機(jī)發(fā)展的“5s”趨勢(shì)： 

無(wú)人機(jī)的“5s”趨勢(shì)和掣肘

• small

未來(lái)機(jī)器人多應(yīng)用于搜索和營(yíng)救等場(chǎng)景，如果一個(gè)無(wú)人機(jī)體積太大，那么將極不利于其對(duì)環(huán)境的勘探。面對(duì)未知的環(huán)境，小型無(wú)人機(jī)有更強(qiáng)的自主性。像一群小蜜蜂。

但同時(shí)，這也帶來(lái)一些負(fù)面的挑戰(zhàn)。當(dāng)一個(gè)無(wú)人機(jī)的尺寸縮小至甚至11厘米的直徑，20克的重量，它根本不能移動(dòng)一些木塊、石頭等物體。

• safe

又小又安全的無(wú)人機(jī)，即使碰撞到路人也不會(huì)致傷，這樣才更容易在生活各種環(huán)境中進(jìn)行飛行控制。而且，由于機(jī)器體積變小，其慣性也會(huì)減小，能夠在發(fā)生撞擊時(shí)迅速自我調(diào)整平衡。

• smart & speed
  

無(wú)人機(jī)在躲避障礙物過(guò)程中，能夠通過(guò)傳感器、云端控制、攝像頭這樣的閉環(huán)，此外，依靠計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，分析周圍環(huán)境的特征，實(shí)現(xiàn)自我規(guī)劃路徑，就像人看到障礙物知道繞道那樣。

但這不只是簡(jiǎn)單的避障。在螺旋儀和加速儀的配合下，無(wú)人機(jī)知道如何根據(jù)環(huán)境特征進(jìn)行移動(dòng)。通過(guò)每秒做數(shù)百次的運(yùn)算，計(jì)算出最可行的方位和速度。如圖所示，傳感器不同的等級(jí)、不同的不確定性，我們都可以通過(guò)概率學(xué)的方法把系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合在一起，通過(guò)一個(gè)等式來(lái)把它歸納成一個(gè)位置和速度的估算。但這個(gè)要達(dá)到一定靈敏度也仍是個(gè)挑戰(zhàn)。

此外，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中不僅需要可以判斷其速度和位置，還需要加以控制，避免走入障礙區(qū)。這就需要地圖的識(shí)別技術(shù)了。

•  swarms（蜂群）

1、獨(dú)立行動(dòng)；

2、只依靠當(dāng)?shù)匦畔ⅲ翰恢榔渌麍F(tuán)隊(duì)的需求，它只知道周邊最近的情況；

3、無(wú)個(gè)性特征的行為：無(wú)需身份。

如何尋找安全軌跡

再跟大家講一下我們?cè)趺礃訉ふ野踩壽E。

首先構(gòu)建出一個(gè)二維低度，并尋找出一些安全的角度，然后將其作為一個(gè)矢量集合，在這一個(gè)集合中調(diào)整最小加速度的軌跡。

一般來(lái)說(shuō)，空中機(jī)器人在計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的支持下也能“看到東西”，但它飛行速度很快，且視程只有20米。所以它需要不斷更新其地圖數(shù)據(jù)，然后做出飛行決策來(lái)繞開(kāi)障礙物。

小尺寸無(wú)人機(jī)的美中不足

“小尺寸就很難達(dá)到自主性，”VijayKumar教授表示，如果當(dāng)一個(gè)無(wú)人機(jī)配備了一些部件，整個(gè)平臺(tái)就重達(dá)3公斤，懸停的時(shí)候，無(wú)人機(jī)的承重壓力就更大了。重要的是，這個(gè)空中機(jī)器人中有45%到50%的重量都是電纜、傳感和外殼。本身無(wú)人機(jī)是低功耗的，但無(wú)效部件占重量的百分比過(guò)大，所以造成高功耗。

所以我們有哪些又便宜又輕便的解決途徑呢？答案就是我們的智能手機(jī)。

Phlone——在手機(jī)運(yùn)行的無(wú)人機(jī)控制器程序，它可以進(jìn)行定位和路徑?jīng)Q策。也就是說(shuō)，無(wú)人機(jī)不需要攜帶太多笨重的檢測(cè)設(shè)備部件，通過(guò)兩塊芯片，我們就可以將無(wú)用的重量轉(zhuǎn)移至手機(jī)app化解掉。這也是高通喜歡將無(wú)人機(jī)功能平臺(tái)分解的原因。

利用這樣的技術(shù)，無(wú)人機(jī)能過(guò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性飛行——有些地方干燥，有些地方潮濕，它都可以通過(guò)較好的計(jì)算來(lái)進(jìn)行飛行控制。

未來(lái)，重型和輕型無(wú)人機(jī)的推進(jìn)將依靠這個(gè)技術(shù)而推進(jìn)。

討論

主持人：第一個(gè)問(wèn)題，您提到無(wú)人機(jī)的尺寸會(huì)變得越來(lái)越小，那么其尺寸縮小后在感知和控制方面會(huì)遇到什么挑戰(zhàn)嗎？

VijayKumar：控制的話尺寸越小更好，我剛才講到——尺寸越小，撞到人也不會(huì)傷到人。但是感知方面，如果尺寸變小了，要用輕型的傳感器，比如手機(jī)上的傳感器，它成本又非常低，也非常有利于數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算，從而更好地了解周圍世界。但是GPU這樣的部件，我們需要有更好的算法來(lái)處理攝像頭獲取而來(lái)的信息。

主持人：我知道您在TED講堂上也有演講，我的問(wèn)題是，拋開(kāi)技術(shù)不說(shuō)，您覺(jué)得今天這個(gè)舞臺(tái)如何？與TED相比如何？

VijayKumar：因?yàn)榕_(tái)下有很多我的朋友，我感覺(jué)更自在，我更喜歡我們這個(gè)舞臺(tái)。謝謝，也感謝大會(huì)的邀請(qǐng)。

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