我們都喜聞樂見于看到四軸飛行器快速而精確的空中花式飛行表演。但在這背后,類似這些的機械都無一例外由內置的捕捉動作裝置所控制。四軸飛行器可說是瞎子機器人,完全由不知哪里的電腦以眩目的攝像頭刷新率監控全局而得以操控。這種裝置往往由昂貴的攝像頭組成。
在實驗室外快速操作機器人將有一些創新的方法了。一種稱為動態視覺傳感器(DVS)的特殊攝像頭解決了現有視覺系統對快速運動處理無力的問題。
現有的攝像頭無力處理動態捕捉,是因為它們獲取數據方式所致。它們說到底還僅僅是攝像頭,每秒輸出整個序列的圖像(就是我們說的幀數)。每一幀都含有攝像頭快門周期內整合的完整圖像數據,看似不錯,但還是會出現照相機的問題:如果有樣東西在快門打開時突然移動,它自己的圖像就模糊了。
大多數情況下,這對機器人(或者人類)來說并不是個問題,因為我們并不是在操作(或觀察)高速運行的的物體。但是,對于飛行機器人來說,因為它們運行速度很快,導致需要更好的精確度來跟蹤它們的軌跡。而在自然環境中,用現有的攝像頭完成這一點很困難,因為在你身邊萬物在攝像頭眼里就是一大坨各種像素。
DVS之所以是一臺特殊的攝像機,就像這種描述所說那樣:好吧,真要移動那么快的話,我們除了移動的物體外就啥都不理了。不同于反饋每一幀數據,DVS只在像素發生變化時傳送基于該像素的數據。
換句話來說,它會反饋回所有東西的輪廓,這些是很快速的輪廓視覺殘像(微秒級別),同時對動作模糊部分留意。下面是2008年一個作品實例——自平衡鉛筆:
下面是它的工作原理,而這也是應用在預估四軸飛行器翻滾動作(高達每秒1200度旋轉)時的背景原理:
在飛行器上(比方說一臺改裝的ARDrone)使用的攝像頭,它在立體空間的分辨率只有128×128像素,但它的視覺殘像僅有個位數微秒級。而在外壁上你所看到的光學攝像頭僅僅是用來航拍用途。在25次試驗中,DVS及控制系統準確跟蹤了機器人24次,成功率達到96%,令人滿意。
在這點上,自主飛行機器人幾乎完全被板載傳感系統的延遲率所困。從前文可以得知,用DVS能解決這種問題,最起碼也是視覺上的問題。蘇黎世大學相關研究者們后續工作將是增加DVS分辨率、使它能在環境中獨立工作,并最終能夠完全自主控制。
蘇黎世大學的EliasMueggler、BasilHuber和DavideScaramuzza在2014年芝加哥國際智能機器人及控制系統年會上展出了基于動作控制的高速6方向飛行器。