還記得《黑鏡》中的殺人蜂嗎？蜜蜂大小、威力巨大。本以為這種微型無人機(jī)離我們很遠(yuǎn)，而現(xiàn)在出現(xiàn)了納米級(jí)無人機(jī)，僅重27g，CNN提供自主導(dǎo)航。研究人員將其開源，希望可以作出皮米級(jí)的飛行機(jī)器人。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和博洛尼亞大學(xué)的研究人員最近發(fā)明了一個(gè)名叫PULP Dronet的納米級(jí)無人機(jī)，僅重27g，可以說是目前重量最輕的無人機(jī)。這個(gè)微型無人機(jī)搭載頂尖的深度學(xué)習(xí)算法，可以在一個(gè)端到端的閉環(huán)視覺管道上運(yùn)行。研究人員將相關(guān)研究發(fā)表在了《arXiv》上。
“蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和博洛尼亞大學(xué)現(xiàn)全面參與一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目：平行超低功率平臺(tái)（PULP），已經(jīng)有六年的時(shí)間了，”這項(xiàng)研究的參與者Daniele Palossi、Francesco Conti和Luca Benini教授表示：“
我們的任務(wù)是開發(fā)一個(gè)開放源代碼、高度可擴(kuò)展的硬件和軟件平臺(tái)，以便在包絡(luò)功率只有幾毫瓦的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能計(jì)算，例如物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)和微型機(jī)器人……例如幾十克重的納米無人機(jī)。”
復(fù)制昆蟲節(jié)能機(jī)制，小功率實(shí)現(xiàn)高性能
在大型和中等大小的無人機(jī)中，可用的功率預(yù)算和有效載荷能夠利用高端強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備，如英特爾、英偉達(dá)、高通等公司開發(fā)的設(shè)備。
但這些設(shè)備對(duì)于微型機(jī)器人來說不是一個(gè)可行的選擇，因?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人的尺寸限制來它可以使用的功率。為了克服這些限制，研究小組決定從大自然中，特別是昆蟲身上汲取靈感。
研究人員解釋說：“在自然界中，昆蟲等微小的飛行生物能夠完成非常復(fù)雜的任務(wù)，同時(shí)在感知環(huán)境和思考時(shí)只消耗很少的能量。”我們希望利用我們的節(jié)能計(jì)算技術(shù)，從本質(zhì)上復(fù)制這一特性。”
為了復(fù)制在昆蟲身上所觀察到的節(jié)能機(jī)制，研究人員最初致力于將高端人工智能集成到納米無人機(jī)的超微小包絡(luò)功率中。事實(shí)證明，這非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儽仨殱M足其能量限制和嚴(yán)格的實(shí)時(shí)計(jì)算要求。研究人員的主要目標(biāo)是以非常小的功率實(shí)現(xiàn)非常高的性能。
“我們的視覺導(dǎo)航引擎由硬件和軟件組成”研究人員表示：“前者體現(xiàn)在并行的超低功耗模式上，由DroNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)所體現(xiàn)。CNN之前是由蘇黎世大學(xué)機(jī)器人與感知小組開發(fā)，用于“資源不受約束”的大型無人機(jī)，我們用它來滿足功耗和性能的需求。”
CNN提供導(dǎo)航，及時(shí)剎車避免碰撞
這個(gè)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)采用一個(gè)攝像頭框架，并用最先進(jìn)的CNN對(duì)其進(jìn)行處理。隨后，它決定如何糾正無人機(jī)的姿態(tài)，使其處于當(dāng)前場景的中心。同樣的CNN也識(shí)別出了障礙，如果無人機(jī)感覺到迫在眉睫的威脅，就停止它。
“基本上，我們的無人機(jī)可以沿著一條街道（或類似的道路，例如走廊）行駛，并在遇到意外障礙時(shí)避免碰撞和剎車，”研究人員說：“與以前的口袋飛行機(jī)器人相比，我們的系統(tǒng)提供的真正飛躍是，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航所需的所有操作都是直接在機(jī)身上執(zhí)行的，不需要人工操作人員，也不需要特別的基礎(chǔ)設(shè)施（比如外部攝像機(jī)或信號(hào)），尤其是沒有任何用于計(jì)算的遠(yuǎn)程基站（比如遠(yuǎn)程筆記本電腦）。”
在一系列的野外試驗(yàn)中，研究人員證明他們的系統(tǒng)具有高度的響應(yīng)性，能夠防止與飛行速度為1.5 m/s的意外動(dòng)態(tài)障礙物發(fā)生碰撞。他們還發(fā)現(xiàn)，他們的視覺導(dǎo)航引擎能夠在113m的新路徑上實(shí)現(xiàn)完全自主的室內(nèi)導(dǎo)航。
Palossi和他的同事們進(jìn)行的這項(xiàng)研究介紹了一種有效的方法，它將前所未有的智能水平與非常嚴(yán)格的功率限制相結(jié)合。這本身就讓人印象深刻，因?yàn)樵诳诖鼰o人機(jī)上實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航非常具有挑戰(zhàn)性，而且以前很少實(shí)現(xiàn)。
“與傳統(tǒng)的嵌入式邊緣節(jié)點(diǎn)相比，這里的計(jì)算不僅受到可用能量和功率預(yù)算的限制，而且還受到性能限制。”研究人員解釋說：“換句話說，如果CNN運(yùn)行得太慢，無人機(jī)將無法及時(shí)作出反應(yīng)來防止碰撞或在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間轉(zhuǎn)彎。”
微型無人機(jī)的即時(shí)應(yīng)用
Palossi和他的同事開發(fā)的微型無人機(jī)可以有許多即時(shí)應(yīng)用。例如，一大群PULP無人機(jī)可以幫助檢查地震后倒塌的建筑物，在更短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)救援人員無法到達(dá)的地方，操作人員就無需冒生命危險(xiǎn)了。
研究人員表示：“人們從小巧、靈活并智能的計(jì)算節(jié)點(diǎn)中獲益的每一個(gè)場景現(xiàn)在都更加接近了，從動(dòng)物保護(hù)到老人/兒童援助，檢查農(nóng)作物和葡萄園，探索危險(xiǎn)區(qū)域，救援任務(wù)等等。我們希望我們的研究能提高每個(gè)人的生活質(zhì)量。”
據(jù)Palossi和他的同事們的介紹，他們最近的研究僅僅是實(shí)現(xiàn)真正的“生物水平”機(jī)載智能的第一步，還有幾個(gè)挑戰(zhàn)需要克服。在他們未來的工作中，他們將通過提高機(jī)載導(dǎo)航引擎的可靠性和智能性來解決其中的一些挑戰(zhàn)，并且瞄準(zhǔn)新的傳感器、讓無人機(jī)有更先進(jìn)的功能和更好的性能。
全部開源，目標(biāo)是做皮米級(jí)的飛行機(jī)器人
研究人員公開發(fā)布了他們所有的代碼、數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，這也可以激勵(lì)其他研究團(tuán)隊(duì)基于他們的技術(shù)開發(fā)類似的系統(tǒng)。
“從長遠(yuǎn)來看，我們的目標(biāo)是做一個(gè)皮米級(jí)的飛行機(jī)器人（幾克重、蜻蜓大小），并取得類似于我們現(xiàn)在的成績，”研究人員補(bǔ)充道：“我們相信，建立一個(gè)以我們的愿景為基礎(chǔ)的強(qiáng)大而堅(jiān)實(shí)的研究人員和愛好者社區(qū)，將是實(shí)現(xiàn)這一最終目標(biāo)的根本。因此，我們將所有代碼和硬件設(shè)計(jì)作為開源提供給每個(gè)人。”
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