受昆虫启发的迷你无人机 利用视觉系统自如穿梭各种缝隙

来源:快报
责任编辑:鲁晓倩
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有的昆虫非常于擅长不奔跑,也有一些昆虫比较擅长于奔跑和生存,但无论是哪种昆虫,想要实现目标精确的飞行对它们来说的确有难度。就像可爱的蜜蜂一样,在它们毛茸茸的小脑袋里,没有足够的空间来进行方向的传感和计算一般的系统,但尽管它们体积小,但蜜蜂能够执行精确的飞行动作,这也是一件非常神奇的事情,因为它们的蜂巢通常都在洞里面,而且内部非常复杂,但蜜蜂可以在里面游刃有余。

蜜蜂通过一种极为简单的方法来解决这个问题:它们飞到一个小洞或缝隙中不断盘旋,同时来回移动,然后收集关于缝隙边缘的视觉信息,然后引导自己的身体穿越过去。虽然在飞行的过程中速度并不是很快,也不是特别优雅,但是至少是非常可靠的,并且不需要太多的执行过程。

可靠的、能够准确完成任务是我们对下一代实用机器人最大的期待,换句话说,就是提供可负担得起的代价实现在现实世界中能够自主飞行的机器人平台。最近来自马里兰大学的感知和机器人小组一直在研究一种系统,该系统可以让无人机通过一个摄像头和机载处理器,在非常小的、完全未知的缝隙中飞行。它是基于一种主流的计算策略,成功率达到了85%。

我们之前已经看到过关于无人驾驶飞机能够在狭小间隙飞行的报道,但这里最大的不同是在这种情况下,无人机没有预先知道的位置或大小的信息。它不需要建立任何一种环境的3D地图或者模型,因为这对于单眼相机来说是很麻烦的任务。相反,UMD的策略是“恢复少量的信息,这些信息足以完成正在考虑的任务。”

为了探测到间隙的位置,无人机使用了一种光流技术。它拍了张照片,移动了一点,然后再拍摄另一张照片。然后,它在每张图片中都能识别出相似的特征,而且由于视差,差距背后的更远处的特征似乎比周围更近的特征移动得更少。差距的边缘是你在功能看起来移动的数量上最大的不同。

另一种方法是使用视觉伺服技术来传递间隙。视觉伺服系统只是利用视觉反馈来控制运动:无人机拍下了缝隙的图像,向前移动,拍了另一张照片,然后调整它的动作以确保它的位置相对于缝隙仍然是它想要的。这与预先计划的方法不同,在这种方法中,无人机预先计算出它想要拍摄的整个路径,然后跟随它,视觉伺服系统更容易飞行。这种感觉和蜜蜂的飞行过程很像。

UMD的研究人员用一架Bebop 2无人机进行了测试,这是一内置英伟达Jetson TX2 GPU的无人机。通过各种不同的差距不同大小和形状的削减在与前方的识别距离,这种技术可能不会成功如果你想穿越一面墙的缺口或者与另一个白墙的另一边。不管怎么说,这个系统工作得非常有效果。研究人员说:“我们在150次试验中取得了85%的成功率试验,不同的任意形状的窗户在多种条件下都可以很好的工作,包括一个最小公差只有5厘米的窗口。”

无人机在穿越间隙时所能达到的最大速度是2.5米/秒,主要受滚动快门相机的限制(这可能会在更高的速度下扰乱光学流)。但同样,这种方法并不是真正用于高性能无人机的。话虽如此,研究人员在论文的结论中表示:“IMU数据可以与单眼相机相结合,从而获得窗口的大小,并计划进行侵略性的操作。所以,希望我们能在不久的将来看到一些使用这种技术的实例。”

来源:ieee

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