「Deep Tech深科技TB」会躲闪的AI无人机，篮球砸不到！新算法让飞行器更智能|专访

用篮球砸中 3 米外悬停的无人机，你能做到吗？
那些打过篮球并玩过无人机的人，会想当然地回答，小事一桩。但在这台无人机面前，你错了，因为它会快速、灵活地躲避飞来的袭击。
最近，来自瑞士苏黎世大学（University of Zurich）的研究人员设计出一种新方法，可以让无人机在主动躲闪移动障碍物的情况下快速导航。该研究让无人机向着拥有更优异的性能，比如在恶劣环境下更快速地飞行，在更短时间内完成更多任务等迈出很大一步。

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图 | 成功躲避球的无人机（来源：Davide Scaramuzza）
当下市面上的无人机已经可以承担很多工作，但是躲避障碍物并不是它们的强项——尤其是在无人机快速移动时。尽管许多飞行机器人都配备了可以检测障碍物的摄像头，但通常它们都需要 20~40 毫秒的时间来处理图像并做出反应。这个时间看似很快，但当无人机自身以较高的速度飞行时， 20~40 毫秒的反应时间对于避开飞鸟或者另一架无人机，甚至是静态障碍物来说，都是不够的。尤其是当无人机在一个不可预测的环境中使用时，或者有多架无人机在同一片区域飞行时，这会是个棘手的问题。
苏黎世大学的研究人员将一种类似运动传感器的 “事件摄像头” 整合在一起，并设计了新的算法，从而将无人机的反应时间缩短到了几毫秒。这个近乎一个数量级的提升，足以让无人机在空中躲开短距离内向其砸来的球或其他物品。该研究发表在了最新一期的《科学 · 机器人》（Science Robotics）杂志上，由苏黎世大学机器人技术和感知方向的教授 Davide Scaramuzza 领导。
图 | 躲避球的无人机（来源：Davide Scaramuzza）
新型摄像头与算法结合， 3.5 毫秒快速反应
传统的摄像头，例如智能手机上的那种，都是通过定期拍摄整个场景的快照来工作，它会同时曝光图像的所有像素。但是，通过这种方式，只能在机载计算机分析完所有像素之后才能检测到运动物体。
Davide 研究团队的 “事件摄像头” 则不同，其具有彼此独立工作的智能像素。它在未检测到外界的变化像素时会保持沉默，而一旦看到了光强度变化的像素就会立即发送信息。这样一来，机载计算机只需处理图像中的一小部分变化像素，因此大大加快了计算速度，从而缩短了反应时间。
Davide 向 DeepTech 具体解释道：“事件在时空域中生成一个体。我们的算法只考虑在过去 10 毫秒内出现的事件。我们补偿摄像头看到的运动，并分析所有事件的统计数据。对于每个像素，我们计算归一化的平均时间戳，它的范围介于 -1 和 1 之间，动态对象的得分非常接近于 1 。这使我们可以将事件的阈值分别以静态对象和动态对象区分开。 ”

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图 | 自我运动补偿算法的各个阶段，以便区分出属于移动障碍的事件（来源：Davide Scaramuzza）
除此之外， “目前的无人机，其目标检测算法无法很好地和我们开发的新型摄像头配合工作。 ” Davide 解释说， “事件摄像头”是一项最近的创新工作，并且功能与传统摄像头不同。我们的摄像头不以恒定的时间间隔输出标准图像，而是输出与每个像素强度变化相对应的异步事件流。因此，其他研究人员必须发明自己的算法，在很短的时间内收集摄像头记录的所有事件，然后减去无人机自身运动的影响。
据 Davide 介绍，该研究使用的 “事件摄像头” ，目前世界上只有 5 家公司生产。 “因为这种传感器直到 10 年前还只是研究原型，我们使用的是 Insightness 公司的设备。 ” 研究中所用的无人机平台，是 Davide 实验室定制的四轴飞行器，跟市售的商品区别不是很大，但用于感知和导航的算法都是他的团队开发的。