【中國婦女報(bào)】北理工“飛鷹隊(duì)”推進(jìn)人工智能在無人機(jī)上的應(yīng)用
發(fā)布日期：2017-04-11 供稿：中國婦女報(bào) 編輯：楊晶 審核：王征 閱讀次數(shù)：
原文標(biāo)題：無人機(jī)+人工智能：將帶來什么？
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無人機(jī)已在航拍、農(nóng)林、交通等各個(gè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，但基本都靠人工遙控，還未能實(shí)現(xiàn)自主控制工作。在無人機(jī)人工智能的研發(fā)上，仍有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。
“這一技術(shù)在未來將能應(yīng)用在邊境、高原、偏遠(yuǎn)山區(qū)等人工巡查不到或不便的地方，從而實(shí)現(xiàn)人力的解放，使人的功能從操作轉(zhuǎn)化為決策。”
2017年3月19日，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院無人飛行器自主控制研究所“飛鷹隊(duì)”， 在阿聯(lián)酋首都阿布扎比舉行的無人機(jī)及機(jī)器人領(lǐng)域國際頂級賽事——穆罕默德·本·扎耶德國際機(jī)器人挑戰(zhàn)賽上，一舉獲得“無人機(jī)移動(dòng)目標(biāo)偵測及自主起降”項(xiàng)目冠軍。消息一經(jīng)傳出，“飛鷹隊(duì)”和那臺拔得頭籌的四旋翼無人機(jī)“飛鷹”立刻贏得了眾多矚目。
4月6日，中國婦女報(bào)·中華女性網(wǎng)記者來到北京理工大學(xué)宇航大樓，走進(jìn)無人飛行器自主控制研究所，一睹“飛鷹”風(fēng)采。
讓無人機(jī)擁有“眼睛”和“大腦”
“無人機(jī)的自主控制技術(shù)就是無人機(jī)加人工智能，”北京理工大學(xué)無人飛行器自主控制研究所助理教授宋韜告訴記者，“這次比賽的宗旨，就是推進(jìn)人工智能在無人機(jī)上的應(yīng)用，進(jìn)而推進(jìn)無人機(jī)向自主控制更高等級邁進(jìn)。”
通過宋韜展示的比賽錄像視頻記者看到，一輛電瓶車在跑道開始行駛后，以15公里/小時(shí)的速度飛行的“飛鷹”迅速定位目標(biāo)，在目標(biāo)電瓶車剛行駛到彎道時(shí)便平穩(wěn)降落。
“大多數(shù)團(tuán)隊(duì)不喜歡在彎道降落，因?yàn)闊o人機(jī)容易被甩出去，但我們做過測試，在彎道降落需時(shí)最短，所以我們給‘飛鷹’下達(dá)的指令是只要捕獲目標(biāo)就直接降落。”宋韜說。這也正是“飛鷹”僅66秒便贏得比賽的重要原因之一。
記者眼前的“飛鷹”外表并不十分出眾：這架軸距為650mm、總重量5斤左右的無人機(jī)，造型簡潔輕巧，在四旋翼架構(gòu)的中間部分，下方可以360度靈活轉(zhuǎn)動(dòng)捕捉目標(biāo)的白色圓形攝像頭是“飛鷹”的眼睛，上方用一層鋁箔包裹著的正方形小盒則是飛鷹的“大腦”（機(jī)載計(jì)算機(jī)），側(cè)面幾根電線將“大腦”與GPS信號探測儀簡單連接在一起。
雖然硬件都是市面上尋常可見的成品，但 “飛鷹隊(duì)”自主研發(fā)的各種算法賦予了無人機(jī)初步的人工智能，讓無人機(jī)開始擁有“視覺”和“判斷”——下達(dá)任務(wù)后，只需按下起飛按鈕，無人機(jī)便能自主分析目標(biāo)的距離、速度、運(yùn)動(dòng)模式，進(jìn)而跟隨目標(biāo)，最終自主地完成任務(wù)。
“在國際比賽上，我們這臺無人機(jī)是最樸素的。”宋韜開玩笑地說。由于還不是成品，“飛鷹”的“眼睛”和“大腦”還都裸露在外，機(jī)身上的劃痕和反復(fù)修補(bǔ)黏結(jié)過的痕跡仿佛在訴說它所經(jīng)歷的磨礪。
宋韜告訴記者，參加比賽的他國團(tuán)隊(duì)都帶了近10架無人機(jī)，而匆忙參賽的“飛鷹隊(duì)”只有這一臺無人機(jī)具備比賽資格。這些團(tuán)隊(duì)來自包括麻省理工、帝國理工和蘇黎世聯(lián)邦理工這些響當(dāng)當(dāng)?shù)氖澜缑！?/p>
為了確保“飛鷹”不因摔壞而喪失比賽資格，團(tuán)隊(duì)基于實(shí)驗(yàn)室的仿真設(shè)備進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)室條件下的仿真實(shí)驗(yàn)。“比如利用電腦控制的三軸轉(zhuǎn)臺模擬無人機(jī)飛行，對無人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，利用轉(zhuǎn)臺對視覺系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以及利用實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)的無人機(jī)降落實(shí)驗(yàn)。”宋韜告訴記者，“我們一定是保證各個(gè)分系統(tǒng)在地面環(huán)境或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境下非常可靠，再集合起來做飛行實(shí)驗(yàn)，這樣實(shí)驗(yàn)的成功率就很高。”
讓無人機(jī)像人一樣去思考
步入研究所一間百平方米左右的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，記者看到：20臺高高架起的攝像頭對準(zhǔn)場地中間的軌道和軌道上的電瓶車，“飛鷹”就曾在這里接受過比國際大賽更難的挑戰(zhàn)：目標(biāo)電瓶車在軌道上開始行駛后，支撐降落平臺的柱子會(huì)上下不停移動(dòng)，使得平臺處于搖擺狀態(tài)，這讓“飛鷹”通過視覺在不斷探測目標(biāo)位置的同時(shí)還要探測目標(biāo)姿態(tài)，以防降落時(shí)不能停穩(wěn)，從而在跟隨目標(biāo)的同時(shí)還要自主預(yù)測平臺何時(shí)適合平穩(wěn)降落。
初步的人工智能猶如人類的幼年，而訓(xùn)練“飛鷹”識別目標(biāo)的過程如同教小孩背書。宋韜告訴記者，“從視覺系統(tǒng)入手，我們需要無人機(jī)通過模擬人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別目標(biāo)車，通過向‘飛鷹’的‘眼睛’呈現(xiàn)目標(biāo)車的各種照片，讓它認(rèn)識目標(biāo)車在各種行駛情況下的狀態(tài)。現(xiàn)在它的識圖速度已經(jīng)從最初的一秒鐘十幾張圖提升到現(xiàn)在的30張圖左右。”
書讀百遍其義自見。“飛鷹”在接收到信息后也會(huì)有反饋，經(jīng)過“大腦”處理后“飛鷹”會(huì)告訴研發(fā)人員，這是某種物體的概率為多少。
“從人類的角度來說，要實(shí)現(xiàn)從高空識別既定目標(biāo)并找出、跟蹤目標(biāo)這一目的非常簡單，但對無人機(jī)來說，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下還是一個(gè)較大挑戰(zhàn)。”宋韜表示，無人機(jī)的人工智能并非簡單的飛行器與電腦聯(lián)接，而是基于無人機(jī)自身控制特性的復(fù)雜聯(lián)接，“最主要的是讓無人機(jī)像人一樣去思考。”
科幻電影離現(xiàn)實(shí)生活并不遙遠(yuǎn)
隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用空間從傳統(tǒng)的二維平面擴(kuò)展到了三維立體，并已在航拍、農(nóng)林、交通等各個(gè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，但基本都靠人工遙控，還未能實(shí)現(xiàn)自主控制工作。在無人機(jī)人工智能的研發(fā)上，仍有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。
“有些地方的交警使用無人機(jī)時(shí)依賴于人的操作和目標(biāo)識別，而未來無人機(jī)采用自主控制技術(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)一鍵起飛一鍵著陸”，宋韜表示，無人機(jī)能在空中自主完成任務(wù)可以極大地降低人的操作負(fù)擔(dān)，提高使用效率。
“具備智能的無人機(jī)在未來的智能交通中可以發(fā)揮更大作用。”宋韜表示，所謂智能交通，就是地面空中三維立體智能交通網(wǎng)，汽車無論在地面還是空中均為無人駕駛。
這一極具未來感的場景最早在法國導(dǎo)演呂克·貝松于1997年拍攝的電影《第五元素》中有過展現(xiàn)：所有汽車都由電腦網(wǎng)絡(luò)控制，精準(zhǔn)高速地行駛在互不干擾的各層空間上，而人類只需要告訴汽車你想去哪兒。
“電影里這一設(shè)想的實(shí)現(xiàn)從技術(shù)本身來說并不會(huì)特別久遠(yuǎn)了，未來的科技方向肯定是智能化，飛行自主就是智能化的初步階段。”在宋韜看來，科幻大片中的場景對于現(xiàn)實(shí)生活中的我們來說，也許并不遙遠(yuǎn)。
只是目前，“飛鷹”充電一次的工作時(shí)長為20分鐘，要想實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的長效工作，還要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的感應(yīng)充電功能。即“無人機(jī)可以自主找到充電設(shè)備進(jìn)行充電，充電完畢后繼續(xù)自主工作”。
在宋韜的設(shè)想下，未來“10架～20架無人機(jī)將組成巡查網(wǎng)絡(luò)，能做到無人執(zhí)行，24小時(shí)自動(dòng)上傳信息，如有問題會(huì)自動(dòng)報(bào)警。這一技術(shù)在未來將能應(yīng)用在邊境、高原、偏遠(yuǎn)山區(qū)等人工巡查不到或不便的地方，從而實(shí)現(xiàn)人力的解放，使人的功能從操作轉(zhuǎn)化為決策”。
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