蘇黎世大學的研究人員通過使用新型攝像機演示了飛行機器人如何可以檢測并躲避快速移動的物體。此次試驗向研發出在惡劣環境下可以更快飛行的無人機又邁出了一步，這樣它可以在更短的時間內完成更多工作。

無人機能夠成功躲避飛來的球——即使球從三米遠的地方以 10 m/s 的速度接近。

無人機可以做很多事情，但避開障礙物并不是它們的最強項，尤其是當無人機還在快速移動。 盡管許多飛行機器人都配備了可以檢測障礙物的攝像頭，但無人機通常需要 20 到 40 毫秒來處理圖像并做出反應。這個時間可能看起來很短，但它還無法保證無人機在高速飛行時可以避開鳥類或其他無人機，甚至靜止的障礙物。因而，在不可預測的環境中使用無人機時，或者當許多無人機在同一區域飛行時，就可能會出現問題。

幾毫秒的反應時間

為了解決這個問題，蘇黎世大學的研究人員通過為四旋翼飛行器（帶有四個螺旋槳的無人機）配備特殊的攝像頭和算法，將其反應時間縮短到幾毫秒——這足以使它可以躲避從短距離投擲的球。這個研究結果發表在《科學機器人》（Science Robotics）雜志上，它將幫助無人機在自然災害等情況下發揮更大的作用。

“對于在搜索和救援領域的應用（例如地震后），時間非常關鍵，因此我們需要無人機能夠盡可能快地飛行，以便在其有限的電池壽命內完成更多工作，”蘇黎世大學機器人與感知研究組以及瑞士國家科研能力中心（NCCR）機器人搜索和救援大挑戰負責人 Davide Scaramuzza 解釋道， “但是無人機飛行速度越快，他們與障礙物碰撞的風險就越高，而當障礙物在移動時，這個風險會更高。 我們發現，動態視覺傳感器事件攝像機（Event Camera）這種新型攝像機非常適合此目的。”

事件攝像機的智能像素

傳統的攝像機（比如智能手機中的攝像機）的工作原理是通過持續拍攝整個場景的快照，需要同時曝光所有圖像像素。采用這種方式只能在內置計算系統分析完所有像素之后才能檢測到運動的物體。而事件攝像機具有彼此獨立工作的智能像素，未檢測到變化的像素保持不變，而檢測到光強度變化的像素則立即發送信息。這意味著內置計算系統僅需處理圖像中一小部分像素，從而大大加快了計算速度。

事件攝像機是一項近期的研究成果，現有的無人機物體檢測算法不完全適用于它們。 因此，研究人員必須開發自己的算法，該算法可以在很短的時間內收集攝像機記錄的所有事件，再減去無人機自身移動的影響，基本可以得出攝像機看到的大部分變化。

僅 3.5 毫秒即可檢測到靠近的物體

Scaramuzza 和他的團隊首先分別對攝像機和算法進行單獨測試。他們將各種形狀和大小的物體扔向攝像機，測量算法檢測到物體的效率。物體的大小和投擲的距離不同，檢測成功率在 81％到 97％之間變化，并且該系統僅用 3.5 毫秒即可檢測到靠近的物體。

然后就是最嚴峻的測試：將攝像機放在實際的無人機上，在室內和室外飛行，然后直接向其投擲物體。測試結果是，無人機能夠躲避物體的概率超過 90％，其中包括從三米遠處扔出的以 10m/s 的速度靠近的球。如果無人機提前“知道”物體的大小，一臺攝像機就足夠了。而如果它不得不面對大小不同的物體時，需要使用兩個攝像頭為其提供立體視覺。

Scaramuzza 認為這些結果表明，事件攝像機可以保證無人機的可飛行速度提高多達十倍，從而擴展了其可能的應用范圍。 他說：“無人機將被用于各種各樣的應用，比如貨物交付、人員運輸、航空攝影術，當然還有搜索和救援。與此同時，使機器人能夠更快地感知并做出決策，對于其他領域的應用將是變革性的，在包括汽車、良好交付、運輸、采礦和機器人的遠程檢查等領域中，可靠地檢測到靠近的障礙至關重要。”

幾乎與飛行員一樣可靠

該團隊計劃在更加敏捷的四旋翼無人機上測試該系統。 “我們的最終目標是使自主駕駛的無人機達到和人類無人機飛行員一樣的水平。當前，在涉及無人機的所有搜索和救援應用中，實際上都是人為控制的。如果我們能夠讓自主駕駛的無人機像人類無人機飛行員一樣可靠地導航，那么我們將能夠將其應用于超出人為視線范圍或遠程控制范圍之外的任務，”研究文章的主要作者 Davide Falanga 博士說道。
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