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不用导航系统 这款无人机能够“自制”地图飞行

信息来源:界面 日期:2016-08-27 


无人机技术的应用前景一直是备受关注的一个话题。最早的无人机是作为航拍的工具,以“上帝视角”记录令人惊叹的航拍照片和视频。而后随着技术的不断进步,无人机的应用范围越来越广,在农业上可以帮助农民进行农作物检测和农药喷洒;在建筑业可以对建筑物进行3D扫描建模;再到军事上入海侦测跟踪海底潜水艇等等。无论是军用领域还是民用领域,无人机技术都发挥了独特的作用。


但是,这些作用绝大多数离不开无人机的一个技术区域——导航系统,也就是通常所说的运用卫星导航原理的GPS定位系统。据英国《每日邮报》报道,在人口密集度大、环境相对杂乱比如湿地和树林的区域,GPS技术由于受干扰过大,往往会使无人机“晕头转向”,甚至有信号被切断的意外。除此之外,GPS的导航并不是非常精细,对于一些地形复杂、障碍物多的区域地图记录有限,和普通的人机交互的飞行器遇到的问题一样,为了避免被挟持无人机需要一个类似“防火墙”的系统。这些局限都限制了无人机的应用推广。


“我们通常所说的无人机,实际上大多数都是受人们控制飞行的,而不是真正意义上的自动飞行器,大体积的无人机则需要一个飞行团队来控制。”宾夕法尼亚大学的Vijay Kumar教授在TED演讲中说道,他在演讲中不仅提出了“自动无人机”概念,并展示了他和学生研发的能够自动飞行的无人机。


自动飞行无人机和它的创始人。





这种无人机由我们平常见到那种普通的拥有小型直升机、四个螺旋桨的无人机改造而成,“我们稍微改造了一下在超市买到的那种体积很小的无人机,去掉导航系统,加上自主研发的感应器和处理器等,总共不过几磅重。”Vijay Kumar介绍道。


没有卫星导航,这些无人机如何准确地从一个地点飞到另一个地点呢?这与无人机飞行的原理有很大关系。无人机一般有四个螺旋桨,当四个螺旋桨转速相同时,就平衡地飘浮在空中,如果其中一个螺旋桨进行加速那无人机会朝那个方向加速飞去,而如果任意两端的螺旋桨的转速大于其他两端的转速,无人机就能进行旋转。通过四个螺旋桨速度的变化,无人机可以不断改变自己的飞行速度和方向。


无人机螺旋桨工作原理

Kumar和他的学生团队正是利用了这个原理,他们创造了一种新的算法程序,使得装在无人机上的处理器在判断四个螺旋桨需要执行哪些动作后,快速把它们组合起来,然后决定给螺旋桨下什么指令。“我们的处理器可以实现一秒钟600次指令,来稳定控制这个无人机,所以它的反应是非常灵敏的。”Kumar介绍道。


除此之外,他们还在无人机上安装了一个微型动态监控摄像机,通过每秒记录一百幅画面来辅助处理器快速做出反应,不仅告诉无人机它们自己的位置和障碍物的具体位置,甚至遇到障碍物突然移动的情况,处理器也可以快速预测怎么才能最有效地钻过去。“我们的处理器会创造一个光滑优雅的运动曲线,来提醒无人机绕开障碍物,而无人机也能够记住自己走过的所有轨迹。”Kumar说。


除了处理器和摄像机,Kumar和他的学生团队还给无人机装上了激光测距仪和激光扫描仪,使得无人机在进入一个完全陌生的环境时,可以利用这些来自己制作描绘周围环境的地图,而这个地图与我们普通所见的地图不同,包括窗户、玄关、人和家具等很多细节,同时还能弄清相对于这些东西无人机自己的位置在哪里,甚至能找到出路。


无人机自制地图的过程记录

“与普通的无人机不一样的是,这种无人机所有的运动都是自主的,我们所做的只是给它们一个蓝图。”Kumay提到,而普通无人机往往需要有人来辅助完成协调系统。这款无人机的原理来自于一种沙漠蚂蚁,Kumar介绍说,这种蚂蚁一起搬运重物时,没有任何中央调控,也没有明确交流,却能够靠着感应邻近的蚂蚁和抬着的重物来形成一种默契,以同样的速度和同一个方向去挪动重物。


沙漠蚂蚁搬运重物

目前这款无人机已经实现在日本核反应大楼中探测放射性强度,但Kumar也表示这种无人机由于体积很小,在搬运大型重物和探测广阔环境时可能需要数量非常多,这样难免会出现相互干扰的情况。但他也提到控制在一定数量范围内时,它们会自己“组队”,并依据环境不断变换适合的队形,作为报警器去陌生环境寻找入侵者和建造摩天大楼等。


而最大的改变并不是以上这些,目前调控无人机往往必须经过严格的培训,并取得无人机飞行的认证,但这一类自动化技术运用在无人机上后,将使得它们能够真正实现自主飞行,不需要人们的操作,这意味着普通人在未来也能够运用无人机。



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