新型无人机技术可以实现快速躲避障碍物

苏黎世大学的研究人员使用新型摄像机演示了一种飞行机器人，该机器人可以检测并避开快速移动的物体。为实现无人机在恶劣环境下的更快飞行提供了一个解决方案。

无人机可以做很多事情，但避开障碍物并不是他们的最强项，尤其是当它们快速移动时。尽管许多飞行机器人都配备了可以检测障碍物的摄像头，但无人机通常需要20到40毫秒的时间来处理图像并做出反应。尽管这个数字看起来很快，但当无人机高速飞行时，即便是避开鸟或另一架无人机甚或是静态障碍物来说这个时间都是无法满足的。当无人机在不可预测的环境中使用，或者当许多无人机在同一区域飞行时，无法快速避开障碍物将成为一个非常大的问题。

为了解决这个问题，苏黎世大学的研究人员为四轴飞行器（带有四个螺旋桨的无人驾驶飞机）配备了特殊的摄像头和算法，将其反应时间缩短到几毫秒，足以避开近距离掷向它的球。研究结果发表在《Science Robotics》杂志上，可以使无人机应用在自然灾害等情况下。

“对于搜索和救援应用（例如地震后），时间非常关键，因此我们需要能够尽可能快地导航的无人机，以便在其有限的电池寿命内完成更多任务，” 苏黎世大学的感知小组以及NCCR机器人技术搜救大挑战负责机器人技术的Davide Scaramuzza解释说。“但是，通过快速导航的无人机，也更容易碰到障碍物，如果障碍物在移动，甚至会更多。我们意识到，一种名为事件摄像机（Event Camera）的新型摄像机非常适合此目的。”

传统的摄像机（例如每个智能手机中的摄像机）都通过定期拍摄整个场景的快照来工作。这是通过同时曝光所有图像像素来完成的。但是，这种方式只能在车载计算机分析完所有像素之后才能检测到运动物体。另一方面，事件摄像机具有彼此独立工作的智能像素。未检测到变化的像素时保持沉默，而看到光强度变化的像素立即发送信息。这意味着车载计算机仅需要处理图像中所有像素的一小部分，从而大大加快了计算速度。

事件摄像机是一项最新的创新，现有的无人机对象检测算法不能很好地与它们配合使用。因此，研究人员必须发明自己的算法，该算法可以在很短的时间内收集摄像机记录的所有事件，然后减去无人机自身运动的影响-这通常是摄像机看到的大部分变化的原因。

仅3.5毫秒即可检测到传入的对象

Scaramuzza和他的团队首先单独测试了相机和算法。他们将各种形状和大小的物体扔向相机，并测量了算法检测物体的效率。成功率在81％到97％之间变化，具体取决于对象的大小和投掷的距离，并且该系统仅用3.5毫秒即可检测到传入的对象。

然后最严峻的测试开始了：将摄像机放在实际的无人机上，在室内和室外飞行，然后直接向其投掷物体。无人机能够避开90％以上的物体（包括从三米远处抛出并以每秒10米的速度行进的球）。当无人机提前“知道” 物体的大小时，一台摄像机就足够了。相反，当它不得不面对大小不同的物体时，使用了两个摄像头为其提供立体视觉。

根据Scaramuzza的说法，这些结果表明，事件摄像机可以将无人机导航的速度提高多达十倍，从而扩展了其可能的应用范围。他说：“无人机已经用于各种各样的应用中，例如货物交付，人员运输，航空摄影术，当然还有搜救。但是，使机器人能够更快地感知和做出决策，对于其他领域来说，也是一个游戏的改变者，在这些领域，可靠地检测进入的障碍物是至关重要的功能，例如汽车、运输、采矿和机器人的远程检查等。”

几乎与飞行员一样可靠

未来，该团队将在更加敏捷的四旋翼飞机上测试该系统。“我们的最终目标是未来有一天无人驾驶无人机能够像人类无人机飞行员一样导航。目前，在涉及无人机的所有搜索和救援应用中，人类实际上都处于控制之下。如果我们能够让无人机像人类无人机一样可靠地导航飞行员，我们便能够将它们用于视线范围之外或远程控制范围之外的任务。” Scaramuzza的博士生Davide Falanga这样说。

论文标题为《Dynamic obstacle avoidance for quadrotors with event cameras》。