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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、...

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未来无人机的N个场景

2018-01-02 21:34:00

  近年来,无人机技术的发展一直是一个热门话题。人们对无人机寄予了诸多期望,如运送包裹、高空监测、追踪野生动物……对于一门尚处于起步阶段的新兴技术而言,目前大多数无人机身型轻巧且成本低廉,但是,并不具备较高的智能化水平。不过在科研人员的不懈努力下,这一情况正悄然发生着改变。

  “地图小机”:自己会导航的无人机

  当一架无人机在空中以60千米/时的速度飞行时,让其计算规划出行进的路线,其实并非易事。如今,在一种新研发的导航系统的辅助下,无人机可以实现边飞行边创建详细的3D地图。这一进步使其得以摆脱人类的操控,实现自我导航。

  相关导航系统可使无人机像地面上的机器人一样,在不熟悉的地方利用即时定位与制图(SLAM)技术,自行寻找路线。同时,该系统还能提升无人机的空中监测能力。

  无人机飞行期间,搭载的摄像机会拍摄下多帧图像,导航系统通过拼接图像可形成详细的3D地图。研发人员表示,无人机可以一边以55千米/时的速度前行,一边创建地图。

  以往,如果要创建地图,需要在飞行后对无人机拍摄的视频资料进行长达几小时的处理。低效的图像处理能力一直是较难突破的瓶颈。研究团队最后采用原本为游戏研发的功能强大的快速图像处理芯片,解决了这个问题。

  在60千米/时的飞行速度下,导航系统创建的地图分辨率达到30厘米/像素,树木和建筑物都可以被清晰地显示出来。如果降低飞行速度和高度,分辨率最高可达2.5厘米/像素,能显示更多细节内容。目前应客户的要求,相关系统已被用于绘制铁路轨道上细微至6毫米的变化。

  无人机上的超级智能平台

  所谓术业有专攻,无人机通常分工明确,各司其职,以应对各种不同场合的需要,比如有的用来监控农场,有的用来侦查野生动物,有的运送比萨等。目前,一种新型无人机凭借自身强大的智能水平,想把这些活全部包揽下来。

  大多数无人机在设计之初都会明确某种特定的用途。但是,美国盐湖城一家公司的想法却与众不同,把无人机打造成类似智能手机一样,通过安装各种应用程序来实现不同的功能。公司负责人从11岁开始就是无人机玩家,为无人机添加各式各样的新功能一直是他的梦想和兴趣所在。

  公司最新研发的这款无人机,可以在飞行途中做出各种决策。为这款无人机提供智能增强软件的,是一家曾为太空探测器开发导航技术的机器人公司。无人机可以通过多层人工神经网络处理不同任务,比如解析照相机拍到的内容,选择下一步的飞行路线等。

  该款无人机预装有3种应用程序。其中之一具有图像识别功能,用户能够指示无人机对某个特定对象进行跟踪;另外两种应用程序分别提供飞行控制功能和竞技游戏功能。研究团队还计划,今后为无人机增加更多功能,比如更好地躲避障碍,自动化导航等。同时,他们希望应用程序开发者能以该款无人机的智能平台为基础,为其创建更多的功能拓展,比如搜索营救或在将发生碰撞时主动避让等。

  这款产品是第一种搭载有强大处理器,能在飞机上直接运行机器学习软件的无人机,它能快速及时地做出各种决策。这也是无人机向自动化飞行迈出的可喜的第一步。

  无人机的“机海战术”:快速机群编队

  如果无人机能够组成机群相互配合工作,效率肯定强于一架无人机的单打独斗。多架无人机执行协同任务,意味着可以在更短时间内覆盖更广的区域。比如,无人机群只需要6小时,就能绘制出阿尔卑斯山脉一座山峰的地图。不过,机群编队的移动需要极高的技巧。单架无人机躲避障碍物相对来说比较简单,但是,如果是编队飞行,实现起来则要困难得多。

  新加坡科技设计大学和美国俄勒冈州立大学的研究人员合作设计了一种方法,使无人机群在最为复杂的环境之一——森林中,飞行时也能保持队形。如果一组无人机群能成功穿越树木林立的森林,意味着未来更多类似的机群将能飞往之前无法抵达的区域,执行绘制地图和拍摄图片的任务。

  紧跟领航机是相关方法的基础原则。领航的无人机被指定一个目的地,其他的无人机在躲避障碍的时候保持与它的相对位置不变。如果领航机因电量不足或碰撞而下降,机群会选出一个新的“队长”。

  像城市中的建筑物一样,森林中树木的枝叶也会阻碍机群与地面基地之间的通信,领航的无人机会从编队的其他飞机中搜集数据,并不时飞到高空将图像传送回基地。

  为对相关系统进行测试,研究人员开展了一次计算机模拟实验。实验中,8架无人机需要飞到一棵树附近并占据好各自的位置。结果显示,无人机群在抵达目的地后,很快依次分散开来,各就各位。研究人员表示,如果无人机能够围绕一棵树木飞行而不发生碰撞,飞过许多树木应该不成问题。不少人对相关研究充满期待,盼望着无人机群能早日被应用于对人类难以到达地区的勘查工作中。

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