普渡大學(xué)鄧新燕副教授蜂鳥機(jī)器人研究即將登上ICRA2019舞臺(tái)，同步開源蜂鳥模擬環(huán)境

雷鋒網(wǎng)按：什么東西能像鳥一樣飛行，還能像昆蟲一樣在空中懸停呢？答案就是大家都有所耳聞的蜂鳥。近期，普渡大學(xué)機(jī)械工程的副教授鄧新燕在蜂鳥機(jī)器人研究上有了新的進(jìn)展，雷鋒網(wǎng)全文編譯如下。

如果無人機(jī)能組合上蜂鳥的飛行能力，那么它們就能夠更好地在倒塌的建筑或者其他凌亂的空間中找到被困的受害者。普渡大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了能像蜂鳥一樣飛行的機(jī)器人，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)蜂鳥每天使用的各種技能。這意味著，通過在模擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)之后，這個(gè)機(jī)器人“明白了”自己如何像蜂鳥那樣四處移動(dòng)，例如，察覺出何時(shí)做出一個(gè)逃跑動(dòng)作。

人工智能和靈活扇動(dòng)的翅膀相結(jié)合讓機(jī)器人能夠自學(xué)新技能。盡管這個(gè)機(jī)器人現(xiàn)在還沒有視覺能力，它只能通過接觸物體表面去感知。每一次的觸碰都會(huì)改變電流，這讓研究人員意識(shí)到他們可以進(jìn)行追蹤。

普渡大學(xué)機(jī)械工程的副教授鄧新燕表示，“這個(gè)機(jī)器人能夠在看不到周邊環(huán)境的情況下繪制出一幅地圖。這有助于機(jī)器人在黑暗中搜尋遇難者，并且，這也意味著當(dāng)即便我們讓機(jī)器人具有感知能力，也可以少添加一個(gè)傳感器。”

鄧新燕副教授團(tuán)隊(duì)將會(huì)于5月20號(hào)在蒙特利爾舉行的ICRA2019會(huì)議上展示他們的研究成果，可以在YouTube上觀看，地址是https://www.youtube.com/watch?v=jhl892dHqfA&feature=youtu.be

【 圖片來源：PURDUE UNIVERSITY  所有者：PURDUE UNIVERSITY  】

由于傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)工作原理，無人機(jī)不能做得無限小，不然它們就無法產(chǎn)生足夠的升力去支撐它們的重量。但是蜂鳥的翅膀是有彈性的，它們不使用傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)?！拔锢韺W(xué)特性完全不同，空氣動(dòng)力學(xué)本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，它具有高攻角和高升力。這讓更小型的飛行動(dòng)物的存在成為了可能，也讓我們有可能去按比例縮小撲翼機(jī)器人。”鄧新燕副教授說。

幾年來，鄧新燕副教授團(tuán)隊(duì)都嘗試去解碼蜂鳥飛行，以便機(jī)器人能夠飛到大型飛機(jī)飛不到的地方。2011年，在DARPA的委托下，美國航空環(huán)境公司AeroVironment制造了一個(gè)蜂鳥機(jī)器人，它比真正的蜂鳥重，但沒那么快，它具有類似直升機(jī)式的飛行控制和有限的機(jī)動(dòng)性。并且，它需要人類持續(xù)地遠(yuǎn)程控制。

【 圖片來源：PURDUE UNIVERSITY  所有者：PURDUE UNIVERSITY  】

鄧新燕副教授的團(tuán)隊(duì)和她的合作者在蒙大拿研究蜂鳥已經(jīng)有好幾年了。他們記錄蜂鳥的主要?jiǎng)幼?，例?80度急轉(zhuǎn)彎，并將它們的動(dòng)作轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)算法，這讓機(jī)器人能夠在模擬環(huán)境中學(xué)習(xí)。對(duì)昆蟲和蜂鳥的物理現(xiàn)象的進(jìn)一步研究讓普渡大學(xué)的研究者制造出比蜂鳥更小的機(jī)器人，甚至小到像昆蟲一樣，但這不影響它的飛行方式。這個(gè)機(jī)器人有著3D打印的身體和翅膀，這些都是由碳纖維和激光切割薄膜制成的。

鄧新燕副教授團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)重為12克的蜂鳥機(jī)器人，這是成年蜂鳥的平均體重，這個(gè)蜂鳥機(jī)器人能夠舉起超過自身重量27克的物體，另外，他們還制造了一個(gè)重為1克的昆蟲機(jī)器人。“體型越小，翅膀揮動(dòng)的頻率越高，更有利于它們的飛行?！编囆卵喔苯淌谡f。設(shè)計(jì)擁有更高升力的機(jī)器人讓研究人員有了更大的選擇空間去增加電池和傳感器，例如攝像頭和GPS。研究人員表示，目前機(jī)器人在飛行的時(shí)候需要連接到外部能源，但這種情況不會(huì)持續(xù)太久。

【 圖片來源：PURDUE UNIVERSITY  所有者：PURDUE UNIVERSITY  】

機(jī)器人能夠像蜂鳥那樣安靜地飛行，這讓它們更適合秘密行動(dòng)。并且，研究人員在油箱中測(cè)試了可以動(dòng)態(tài)縮放的機(jī)翼，證明了它們能夠在有氣流擾動(dòng)時(shí)依然保持穩(wěn)定。這個(gè)機(jī)器人僅僅需要兩個(gè)馬達(dá)，它能夠獨(dú)立地控制每一邊翅膀，自然界中的飛行動(dòng)物也是這樣進(jìn)行高度敏捷的運(yùn)動(dòng)控制的。鄧新燕副教授說：“一只真實(shí)的蜂鳥有多組肌肉去飛行和控制轉(zhuǎn)向，但是機(jī)器人應(yīng)該盡可能的輕盈，這樣才能用最輕的重量獲得最大的性能。”

蜂鳥機(jī)器人不僅可以在搜救任務(wù)中起到幫助，還可以借助逼真的機(jī)器人的感官，讓生物學(xué)家們更好地研究自然環(huán)境中的蜂鳥。鄧新燕副教授說：“我們通過對(duì)生物學(xué)的學(xué)習(xí)制造了機(jī)器人，同時(shí)，現(xiàn)在的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)也能通過機(jī)器人獲得額外的幫助?！?/p>

這項(xiàng)研究的模擬已經(jīng)在 https://github.com/purdue-biorobotics/flappy.開源，歡迎查看。

來源: Xinyan Deng，鄧新燕, xdeng@purdue.edu

記者手記: 文章摘要部分有論文鏈接。其他多媒體信息可在 https://drive.google.com/open?id=1XrFz3MOj_2jotVjVQOmC5upfD8kWIOnF. 查看。視頻和照片由普渡大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的通信專家Jared Pike制作。

相關(guān)研究論文摘要：

在撲翼機(jī)器人上模仿學(xué)習(xí)蜂鳥的極限運(yùn)動(dòng)控制

Fan Fei, Zhan Tu, Jian Zhang, and Xinyan Deng

https://arxiv.org/abs/1902.09626

生物學(xué)研究表明，蜂鳥在快速逃跑的時(shí)候能夠表現(xiàn)出極端的特技飛行運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)蜂鳥在空中懸停的時(shí)候突然給它一個(gè)視覺刺激，它會(huì)開始迅速地后向平移，外加一個(gè)180度的偏航轉(zhuǎn)彎，然后在不到十次的翅膀拍動(dòng)下立即穩(wěn)定姿態(tài)?？紤]到翅膀拍動(dòng)的頻率為40赫茲，這個(gè)具有迅猛的運(yùn)動(dòng)控制僅僅需要0.2秒就完成了。受到蜂鳥在這樣的極限運(yùn)動(dòng)控制中近乎最高的表現(xiàn)的啟發(fā)，我們開發(fā)了一個(gè)飛行控制策略，并且通過實(shí)驗(yàn)證明，一個(gè)僅配備兩個(gè)制動(dòng)器且重達(dá)12克的蜂鳥機(jī)器人就能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的運(yùn)動(dòng)控制能力。論文中提出的混合控制策略將基于模型的非線性控制與無模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合。我們使用基于模型的非線性控制進(jìn)行一般狀態(tài)的飛行控制，因?yàn)閯?dòng)態(tài)模型在這些條件下是相對(duì)準(zhǔn)確的。然而，在極限控制中，建模錯(cuò)誤會(huì)變得無法控制。在模擬環(huán)境中訓(xùn)練的無模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略專門用來使系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制過程中“失穩(wěn)”，使運(yùn)動(dòng)控制中的性能最大化。這種混合策略體現(xiàn)了的運(yùn)動(dòng)控制模式接近于在蜂鳥身上觀察到的運(yùn)動(dòng)控制模式。我們實(shí)現(xiàn)了從仿真到現(xiàn)實(shí)的直接轉(zhuǎn)換，證明了這種和蜂鳥類似的快速機(jī)動(dòng)規(guī)避在同規(guī)模的蜂鳥機(jī)器人身上是可行的。

行動(dòng)即視覺：在狹窄的空間中揮動(dòng)翅膀?qū)Ш?/h3>

Zhan Tu, Fan Fei, Jian Zhang, and Xinyan Deng

https://arxiv.org/abs/1902.08688

飛行動(dòng)物的翅膀不僅能產(chǎn)生升力和控制力矩，還能夠感覺到周邊環(huán)境。這種感知和驅(qū)動(dòng)的雙重功能耦合在一個(gè)元件中的做法對(duì)重量、尺寸和功率都受到嚴(yán)格限制的小型仿生機(jī)器人飛行器尤其有用。在這項(xiàng)工作中，我們介紹了首個(gè)使用自己的翅膀在狹小環(huán)境中進(jìn)行感知和導(dǎo)航的撲翼機(jī)器人，不需要任何視覺反饋。我們提出普渡蜂鳥撲翼機(jī)器人測(cè)試平臺(tái)，它的翼展為17cm，重量為12g，它的雙翼由兩個(gè)制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，扇動(dòng)頻率為30-40Hz。通過對(duì)機(jī)翼載荷反饋及其變化的解釋，飛行器可以探測(cè)到地面、墻壁、樓梯、障礙物和陣風(fēng)等環(huán)境變化的存在。通過測(cè)量和解釋驅(qū)動(dòng)機(jī)翼的電機(jī)的電流反饋, 可以得到機(jī)翼的瞬時(shí)載荷。該方法的有效性在許多無視覺條件下挑戰(zhàn)飛行任務(wù)的實(shí)驗(yàn)中得到了證明：沿著地形飛行，沿著墻壁飛行，以及穿過狹窄的走廊。為了確保飛行的穩(wěn)定性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種魯棒控制器來處理飛行過程中不可預(yù)見的干擾。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人來說，通過加載制動(dòng)器來感知和導(dǎo)航環(huán)境是一個(gè)有前景的方法，并且它還能作為替代視覺感知或者補(bǔ)充視覺感知的方法。

飛行的蜂鳥：一個(gè)關(guān)于撲翼機(jī)器人和動(dòng)物的開源動(dòng)態(tài)仿真

Fan Fei, Zhan Tu, Yilun Yang, Jian Zhang, and Xinyan Deng

https://arxiv.org/abs/1902.09628

昆蟲和蜂鳥展示出非凡的飛行能力，并且他們能夠同時(shí)控制看似矛盾的目標(biāo)：穩(wěn)定的懸停和激進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制，這是小型人造飛行器無法比擬的。撲翼微型飛行器(FWMAVs) 在縮小這一性能差距方面有著巨大的潛力。然而，由于多種限制，設(shè)計(jì)以及控制這樣的系統(tǒng)仍然具有挑戰(zhàn)性。在這篇論文中，我們?yōu)閾湟砦⑿惋w行器提出了一個(gè)開源的高保真度動(dòng)態(tài)仿真，作為撲翼微型飛行器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和飛行控制的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了進(jìn)行仿真驗(yàn)證，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，重新研制了和蜂鳥大小一樣機(jī)器人。通過系統(tǒng)識(shí)別，我們得到了模型參數(shù)。在模擬飛行與實(shí)驗(yàn)飛行中的力產(chǎn)生、開環(huán)和閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)也得到了比較和驗(yàn)證。不穩(wěn)定空氣動(dòng)力學(xué)和高度非線性的飛行動(dòng)力學(xué)給傳統(tǒng)控制算法和學(xué)習(xí)控制算法（如強(qiáng)化學(xué)習(xí)）帶來了具有挑戰(zhàn)性的控制問題。仿真界面完全兼容OpenAI Gym模擬器環(huán)境。作為基準(zhǔn)研究，我們提出了一種用于懸停穩(wěn)定的線性控制器和一種用于目標(biāo)定向機(jī)動(dòng)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制策略。最后，我們?cè)谡鎸?shí)機(jī)器人上演示了把這兩種控制策略的直接從模擬環(huán)境中轉(zhuǎn)換到真實(shí)環(huán)境，進(jìn)一步證明了仿真的逼真性。

雷鋒網(wǎng)注：本文編譯自PURDUE UNIVERSITY