無(wú)人機(jī)向前直線(xiàn)飛行時(shí)的光流場(chǎng)。在飛行方向上，光流是最小的，這使得無(wú)人機(jī)飛行路徑上的樹(shù)難以探測(cè)。

無(wú)人機(jī)能夠利用振蕩來(lái)感知它們與目標(biāo)的距離。圖中，無(wú)人機(jī)正在學(xué)習(xí)探測(cè)、避開(kāi)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(kāi)障礙物時(shí)，你可能會(huì)發(fā)出感嘆，為什么這些小蟲(chóng)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(dòng)的速度。例如，在著陸時(shí)，蜜蜂使用光流“散度”來(lái)捕捉物體在視野中放大的速度。當(dāng)蜜蜂準(zhǔn)備著陸時(shí)，散度會(huì)持續(xù)增加——它們視野中的草會(huì)以更快的速度變大。而在著陸時(shí)，蜜蜂采用了一種減速策略來(lái)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(guó)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(guò)程，它能讓機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)外觀（形狀、顏色、紋理）來(lái)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(wú)人機(jī)的導(dǎo)航能力，也促成了一種關(guān)于昆蟲(chóng)智能的新假說(shuō)。當(dāng)?shù)貢r(shí)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(gè)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(lái)說(shuō)，如果有兩架無(wú)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(wú)人機(jī)實(shí)際上應(yīng)該對(duì)光流散度的偏差做出不同的反應(yīng)。其次，對(duì)于避障來(lái)說(shuō)，在機(jī)器人移動(dòng)方向上的光流非常小。這意味著在這個(gè)方向上，光流測(cè)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(cè)到處于其運(yùn)動(dòng)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(shuō)：“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(jué)外觀，那么光流的這兩個(gè)限制問(wèn)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(chǎng)景中估算距離。唯一的問(wèn)題是，機(jī)器人如何才能具備超遠(yuǎn)視覺(jué)？”

Croon提出，可以通過(guò)主動(dòng)誘導(dǎo)光流振蕩，讓飛行機(jī)器人感知場(chǎng)景中物體的距離。機(jī)器人利用振蕩來(lái)了解物體在不同距離的外觀變化。通過(guò)這種方式，機(jī)器人可以在著陸時(shí)從不同高度觀察草的紋理，或者在森林中導(dǎo)航時(shí)在不同距離上觀測(cè)樹(shù)木的樹(shù)皮厚度。論文作者Christophe De Wagter說(shuō)：“飛行機(jī)器人學(xué)習(xí)以視覺(jué)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(cè)障礙物的性能，還能使其加速?！边@對(duì)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(chóng)智能的新假設(shè)。“典型的蜜蜂實(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(xiàn)索后，會(huì)表現(xiàn)出各種振蕩行為?！闭撐淖髡?、生物學(xué)家Tobias Seidl教授說(shuō)，“我們?cè)谖闹薪榻B的最終測(cè)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(guò)程形成了一種昆蟲(chóng)如何提高導(dǎo)航技能的新假說(shuō)。”

科界原創(chuàng)

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責(zé)編：陳之涵

期刊來(lái)源：《自然?機(jī)器智能》

期刊編號(hào)：2522-5839

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

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