2018世界機器人大會：如何理解精準交互無人機？

原標題：Richard Voyles教授：如何理解精準交互無人機？

2018世界機器人大會擬于8月15日至19日在北京亦創(chuàng)國際會展中心舉行。大會以“共創(chuàng)智慧新動能 共享開放新時代”為主題，由“論壇”、“博覽會”、“大賽”、“地面無人系統(tǒng)展示活動”四大版塊構(gòu)成。 本屆大賽匯聚了來自美國、俄羅斯、德國、日本、以色列等全球近20個國家和地區(qū)的1萬余支賽隊和數(shù)百名頂尖專家，共計超過5萬多名參賽選手同臺競技。

在此次論壇中，美國普渡大學(xué)教授Richard Voyles進行主題演講“精準交互無人機在機器人和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用”。

以下是演講全文：

Brad Nelson講的內(nèi)容技術(shù)性比較強，作為最后一位發(fā)言人，我需要把之前很多嘉賓的內(nèi)容進行整合。剛才提到了遠程感應(yīng)，保護不受輻射的影響。我自己做的是比較狹隘的領(lǐng)域，就是無人機。

我個人的履歷當(dāng)中包括電子工程、機械工程、計算機科學(xué)，曾經(jīng)在普渡、杜克明尼蘇達和斯坦福任職，曾經(jīng)在行業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界工作，大小公司、創(chuàng)始企業(yè)等等，我在三所大學(xué)都有Tenure，也有參與三所創(chuàng)始企業(yè)，同時做過政府官員，曾經(jīng)在美國能源部、美國國家科技基金會、白宮科技政策辦公室工作，其實是科技政策辦公室機器人專家，我也參與過機器人處理和廢料行業(yè)的項目，可以看到我的背景是非常豐富的，所以今天要談的精準和交互是什么意思呢？我的背景當(dāng)中還有一點需要大家了解，就是我有四個女兒，很多研究生都會跟我開玩笑，我做什么事情都是三點，只有孩子是四個。

如何理解精準交互無人機？我要談的不是精準農(nóng)業(yè)的角度，而是從控制的角度來談這個話題，也就是空中的精準控制。這里給大家提供一個背景，因為這個背景對我的研究非常重要，就是高度控制、力量控制和網(wǎng)絡(luò)。

首先介紹的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這其實是物聯(lián)網(wǎng)的前身。之前的發(fā)言人已經(jīng)提到了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念，也就是利用這些閉環(huán)的網(wǎng)絡(luò)。機器人是做什么的呢？機器人其實是在世界當(dāng)中發(fā)揮作用的，不是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而是一個橋梁，它的傳感器連接了網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界，從模擬世界到數(shù)字世界，機器人可以形成這樣一個閉環(huán)，就是再從網(wǎng)絡(luò)世界到物理世界。我在實驗室所做的很多工作和傳統(tǒng)所說的精確或者精準不太一樣，我會強調(diào)是怎樣實現(xiàn)這樣一些精準的，包括精準無人機是一個飛行器，可以有六度的自由。

無限傳感網(wǎng)絡(luò)其實是物聯(lián)網(wǎng)的前身，關(guān)注的是核心技術(shù)和低功耗長時間的傳感，八九十年代主要是關(guān)注如何節(jié)約電池的電源，以及如何從一個臨時的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中輸入信息，也就是現(xiàn)在的云。很多人關(guān)注自組織網(wǎng)絡(luò)的形成，還有就是傳感器數(shù)據(jù)的多條路由。應(yīng)用的實例就是海洋監(jiān)測，我們協(xié)調(diào)了多個傳感器，有對鹽度的監(jiān)測傳感器，有對水活動監(jiān)測傳感器，是以小時或者天作為采樣的周期，沒有反饋的控制，被應(yīng)用于氣候變化的監(jiān)測。現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有些應(yīng)用實例了，這樣的努力也給我們帶來了我們稱為的物聯(lián)網(wǎng)。

我所思考的方向有點不太一樣，之前發(fā)言人提到了智慧家庭的概念，這里講的不僅僅是評估環(huán)境，而是對環(huán)境產(chǎn)生影響。我們經(jīng)常談到的應(yīng)用領(lǐng)域叫做網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，我在實驗室花了幾年的時間在做“智能特百惠”，我們和特百惠公司合作，打造智能廚房，實際上可以把這個廚房看作智能機器人。主要是通過傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低功耗，更長的生命周期，也要進行食品的類別和數(shù)量的傳感。我們做的不是全部人類的活動，而是關(guān)注于智慧廚房，重點在于食品的準備。

Lumba一開始是有三個按鈕，后來變成了一個按鈕，也就是變得非常簡單，廚房也是一樣，誰希望在廚房的容器當(dāng)中加上一個鍵盤？這種類型的問題是需要我們關(guān)注的，我們需要非常簡單的操作方式，同時要有非常簡單的機器學(xué)習(xí)算法，需要有技術(shù)的集群使得食品的容器能夠自動地識別食物的類別，然后看一看不同的食品容器怎樣基于各類人群，因為不同的人在家里使用容器的方式不太一樣，美國的家庭早晨會喝麥片牛奶，使用的容器和晚上可能不一樣，因為是有不同的食品品類，外表看起來是有類似的，所以需要有些自動識別的機制。

智能廚房需要人們幫助規(guī)劃食品和午餐，可以從剛才的一張幻燈片上看出，我們會不斷地看怎樣能夠把用戶包括在內(nèi)，尤其是用戶的體驗包含在這個環(huán)節(jié)當(dāng)中。機器人只做傳感和思考，人類作為實現(xiàn)這個行動的渠道，通過人類和智能冰箱的互動，可能會由智能冰箱跟其它的設(shè)備相聯(lián)系，然后給人們提供冰箱當(dāng)中儲存食品的信息，這樣我們開發(fā)的一些項目就要做一個以控制為核心的架構(gòu)。我們知道無線傳感器有很多的節(jié)點，這是我們和賓夕法尼亞大學(xué)合作的微節(jié)點，這些微節(jié)點和其它的宏節(jié)點結(jié)合，以便創(chuàng)造出無線的傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

我們開發(fā)的另外一個伴生的產(chǎn)品叫做變形總線，主要是為了適應(yīng)各種傳感器和驅(qū)動器。我們把變形總線作為一個標準性的產(chǎn)品推出，和常規(guī)總線不太一樣，常規(guī)總線收集傳感數(shù)據(jù)的時候是這樣一個流程，希望的是傳感器和CPU相溝通，然后把其它的內(nèi)容放進去，利用總線的溝通傳感功能。這種常規(guī)總線結(jié)構(gòu)當(dāng)中，我們希望傳感器能夠?qū)π畔⑦M行一些轉(zhuǎn)換，也希望CPU能夠做一些思考，所以在變形總線當(dāng)中我們的轉(zhuǎn)型器會在整個總線當(dāng)中移動，利用這些基于設(shè)備的信號更加有效地對傳感器進行變形。如果看總線的拓撲結(jié)構(gòu)并不是完全嶄新的結(jié)構(gòu)，但是一個多極并聯(lián)的總線。

這里我們看到的是高性能的節(jié)點，產(chǎn)出了宏節(jié)點和微節(jié)點，可以具有重新編程的功能，而且是自適應(yīng)的軟件，我們利用總線當(dāng)中的架構(gòu)幫助這些系統(tǒng)。比如我們的無人機和機器人，能夠適應(yīng)改變的環(huán)境，使得軟件編程師的工作更加容易，可以設(shè)計一些系統(tǒng)，能夠適應(yīng)變化的環(huán)境。這些元素怎么和剛才我們提到的網(wǎng)絡(luò)相連接？我們的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中并不只是計算節(jié)點，要有傳感節(jié)點、思考節(jié)點和驅(qū)動節(jié)點，比如精準無人機是物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界之間連接的橋梁，驅(qū)動器的控制網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器相連，要驅(qū)動現(xiàn)實世界智慧家庭，需要驅(qū)動實際的醫(yī)療機器人系統(tǒng)。這就涉及到物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)了，所以和傳統(tǒng)上講的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是有些不同。

剛才談到很多帶有節(jié)點的機器人，我們采用了可重構(gòu)節(jié)點的履帶機器人，主要應(yīng)用于一些災(zāi)難的救援。我們的爬行器是非常小的設(shè)備，可以進行搜救，也可以在廢墟上面尋找那些幸存者，實際的突發(fā)情況當(dāng)中需要找到被廢墟掩埋的那些幸存者。我們也開發(fā)出了Modern-Ship機器人，可以從這張圖看得很清楚，我們的實驗室除了基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)集成以外，我們關(guān)注的一方面是如何進行傳感和思考，并且如何進行功能整合，這樣才能真正做成實用的機器人。我們也和很多其它的實驗室進行合作，因為我們知道并沒有解決所有問題的能力。

精準農(nóng)業(yè)方面我們也在做一些嘗試，這里講的無論是精準還是互動其實都需要對機器人非常精準的操控，我們的實驗室研究也是在過去的幾十年的方向當(dāng)中不斷調(diào)整。

互動的無人機到底應(yīng)該是什么樣子的呢？這是一個非常老的例子，可以說主要是空中操作移動的系統(tǒng)，能夠移動一個非常重的物體。這里重點要關(guān)注的是這一群人，可以看到上面的無人機，這是一個載人的飛機，實際上是在做一個重力補償，也是在做非常精準的調(diào)校和組裝。這個領(lǐng)域也是大家都在關(guān)注的領(lǐng)域，也就是空中的操控。當(dāng)然，考慮的不僅僅是X軸和Y軸，必須要考慮到多維的操控。最近大家都在研究六旋翼無人機，也就是實現(xiàn)六個自由度的無人機，可以進行更為精準的力量控制，我們希望實現(xiàn)的是高度的控制和方向的控制。

這是之前我們在無人機方面做的一些早期的工作，和視頻比較相似的是，這里大家可以看到，由于可以轉(zhuǎn)向不同的自由度，同樣也可以在不同的方向施加力量，也在推動很多工作和應(yīng)用的發(fā)展。因為和周圍環(huán)境的精準互動是非常重要的，也就是將虛擬世界的信息轉(zhuǎn)化為實際的行動，這些旋翼是通過在空中使用，它的精準度肯定不如地面上那么精準。藍色的線是理想的曲線，其實是用來衡量扭矩的，需要考慮力量的大小和高度，紅色的線是具體使用的效率。

我們通過這種方式和物理世界進行互動，可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域，具體的配置也要進一步優(yōu)化，讓其在不同的高度實現(xiàn)不同的精度運轉(zhuǎn)，這種多旋翼的無人機來說是非常重要的。如何能夠優(yōu)化無人機，本身要能夠做得更為精準，也是非常重要的一項工作。之前我們也是和農(nóng)業(yè)部進行合作，過去的幾十年在開發(fā)核電站，有些技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，有些設(shè)施已經(jīng)達到了生命的終點，現(xiàn)在需要摧毀某些設(shè)施，有些可能無法用人接近或者接觸，這樣能夠進一步減少對人的污染。

我們做的是一些實驗室的實驗，希望能夠?qū)崿F(xiàn)不同的配置下看到不同的效果。因為這是對無人機性能進行調(diào)校，讓它實現(xiàn)優(yōu)化的表現(xiàn)，所以這張圖實際上就是我們測試的結(jié)果，看一看如何能夠?qū)λ呐渲眠M行進一步的優(yōu)化。我們也和SIFI WORK一起做了一些工作，看一看如何能夠更好地作出產(chǎn)品的原型，能夠?qū)崿F(xiàn)這些無人機更精準的控制，比如消費產(chǎn)品的領(lǐng)域當(dāng)中如何實現(xiàn)更好的效果。實際上優(yōu)化以后表現(xiàn)確實是更好了，無論是哪個設(shè)計上都比以前更好一些。

這樣會帶來一些新的問題，雖然有些技術(shù)細節(jié)，比如我是那個無人機的話，想要旋翼旋轉(zhuǎn)，一種是要和旋臂垂直旋轉(zhuǎn)，另外就是平行向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。折和固定翼非常相似，有些飛機是平行翼，有些飛機是傾斜翼，這種傾斜翼會對飛行有些特殊的影響，這里我們還是對其進行優(yōu)化，看一看在力上面能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的效果。無論是從哪個方向進行旋轉(zhuǎn)，我們都要對其實現(xiàn)最好的調(diào)校，考慮到空氣動力學(xué)的影響，稍做調(diào)整就可以移動得更快。實際上這種上反角效應(yīng)即使是四旋翼的無人機，可能在實際的飛行速度上都會有20%的誤差。

總結(jié)一下我們?yōu)槭裁匆褌鞲芯W(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在這些領(lǐng)域當(dāng)中，比如核廢物的分離，這樣人就不用自己去做了。美國能源部有一個廢物隔離實驗場，里面有很多核廢物，也有一個非常深的井，大概有600多米，還有普利茅斯的氣體擴散場，把地下的污染氣體引出來。當(dāng)然，也有一些低密度的氣體，希望將這些氣體擴散限制在有限的范圍內(nèi)。這種擴散場大概有1英里的長度，但我們無法用一個無人機覆蓋所有的地方，因為可能要收集一些殘留物的樣本，之后只有將前期的工作做好才能正式拆除。

我們采用一些簡單的方式解決這些問題，很多設(shè)施都是美國能源部的東西，所以沒有辦法播放演示視頻了。普渡大學(xué)也得到了其他機構(gòu)的支持，我們也在這里做了很多實驗，同樣也是看一看，一方面能夠減少對用戶的風(fēng)險，因為在有很多工人之前在那里工作，另一方面需要將工廠進行清理，減少對人們的傷害。