無人機(jī)向前直線飛行時的光流場。在飛行方向上，光流是最小的，這使得無人機(jī)飛行路徑上的樹難以探測。

無人機(jī)能夠利用振蕩來感知它們與目標(biāo)的距離。圖中，無人機(jī)正在學(xué)習(xí)探測、避開研究人員設(shè)置的障礙。

當(dāng)看到蜜蜂在花叢中優(yōu)雅地跳躍或者靈巧地避開障礙物時，你可能會發(fā)出感嘆，為什么這些小蟲擁有如此完美的導(dǎo)航技能？科學(xué)家表示，“光流”概念也許有助于解讀蜜蜂的技能：它們能感知物體在其視野內(nèi)移動的速度。例如，在著陸時，蜜蜂使用光流“散度”來捕捉物體在視野中放大的速度。當(dāng)蜜蜂準(zhǔn)備著陸時，散度會持續(xù)增加——它們視野中的草會以更快的速度變大。而在著陸時，蜜蜂采用了一種減速策略來保持散度不變，最終平穩(wěn)降落。研究人員曾試圖在飛行機(jī)器人中導(dǎo)入這種策略，但收效甚微。

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和德國威斯特伐利亞應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的研究人員提出了一種基于光流的學(xué)習(xí)過程，它能讓機(jī)器人通過視覺外觀（形狀、顏色、紋理）來估計(jì)目標(biāo)物距離。這種基于人工智能的學(xué)習(xí)策略不僅可以提高小型飛行無人機(jī)的導(dǎo)航能力，也促成了一種關(guān)于昆蟲智能的新假說。當(dāng)?shù)貢r間1月19日，相關(guān)研究成果在《自然?機(jī)器智能》雜志中發(fā)表。

光流存在兩個基本限制。首先，光流只能提供距離和速度的混合信息。舉例來說，如果有兩架無人機(jī)，其中一架的飛行高度和飛行速度都是另一架的兩倍，那么它們經(jīng)歷的光流是完全相同的。然而，為了更好的控制效果，這兩架無人機(jī)實(shí)際上應(yīng)該對光流散度的偏差做出不同的反應(yīng)。其次，對于避障來說，在機(jī)器人移動方向上的光流非常小。這意味著在這個方向上，光流測量是有噪聲的，它提供的障礙物信息非常少。因此，機(jī)器人很難探測到處于其運(yùn)動朝向中的障礙物。論文作者、仿生微型飛行器研究人員Guido de Croon補(bǔ)充說：“如果機(jī)器人不僅能夠理解光流，還能夠理解環(huán)境中物體的視覺外觀，那么光流的這兩個限制問題自然就消失了。因此，我們需要讓機(jī)器人在能夠在靜態(tài)場景中估算距離。唯一的問題是，機(jī)器人如何才能具備超遠(yuǎn)視覺？”

Croon提出，可以通過主動誘導(dǎo)光流振蕩，讓飛行機(jī)器人感知場景中物體的距離。機(jī)器人利用振蕩來了解物體在不同距離的外觀變化。通過這種方式，機(jī)器人可以在著陸時從不同高度觀察草的紋理，或者在森林中導(dǎo)航時在不同距離上觀測樹木的樹皮厚度。論文作者Christophe De Wagter說：“飛行機(jī)器人學(xué)習(xí)以視覺外觀分辨距離，可以讓著陸變得更快、更平穩(wěn)。在避障方面，機(jī)器人現(xiàn)在能非常清楚地看到飛行方向上的障礙物。這不僅提高了機(jī)器人檢測障礙物的性能，還能使其加速?！边@對于飛行空間受限的飛行機(jī)器人非常關(guān)鍵。

Croon等人取得的新成果不僅為機(jī)器人技術(shù)提供了借鑒，還促成了昆蟲智能的新假設(shè)?！暗湫偷拿鄯鋵?shí)驗(yàn)始于一種學(xué)習(xí)階段，在這一階段內(nèi)，當(dāng)蜜蜂熟悉了新環(huán)境和相關(guān)新線索后，會表現(xiàn)出各種振蕩行為?！闭撐淖髡摺⑸飳W(xué)家Tobias Seidl教授說，“我們在文中介紹的最終測量通常是在學(xué)習(xí)階段結(jié)束后進(jìn)行的，它重點(diǎn)關(guān)注了光流的作用。由此呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)過程形成了一種昆蟲如何提高導(dǎo)航技能的新假說?！?/p>

科界原創(chuàng)

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責(zé)編：陳之涵

期刊來源：《自然?機(jī)器智能》

期刊編號：2522-5839

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https://techxplore.com/news/2021-01-texture-drone.html

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