自主導航微型機械人面世

螞蟻等一些昆蟲有很強的“識途”能力，即使遠行也能順

利找到“回家”的路。荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員日

前在美國《科學 · 機械人學》雜誌上發表論文說，他們從螞

蟻等昆蟲的視覺導航能力獲得啟發，創建出一種適用於微型

、輕型機械人的仿昆蟲自主導航策略。

重量從幾十克到幾百克不等的微型機械人有巨大的應用潛力。小巧的體型使它們能在狹窄區域靈活移動，並可以實現大規模部署，例如可用於在溫室中檢測早期病蟲害等。

然而，對於微型機械人來說，自主導航是個難題。自動駕駛汽車等較大型人工智能設備所搭載的傳感器、處理器等相對較重且耗電量大，微型機械人無法攜帶；全球定位系統(GPS)在室內難以使用，處於有遮擋的城市環境中可能導致定位不准。

研究人員想到了從一些同樣體型微小卻具有“識途”能力的昆蟲那裡尋求靈感。此前研究已知，螞蟻等昆蟲能把對自身移動的“里程測量”與基於“快照”的視覺引導行為結合起來為自己導航。在行進中，螞蟻會利用其視覺系統不時為周邊環境拍“快照”，作為重新找到這些位置的依據。當到達“快照”位置附近，它們會將當前視覺感知與“快照”比較，並移動到兩者之間差異最小化的地方，這使得它們能自己導航返回此前拍“快照”的位置。

基於這一原理，研究人員研發出採用“快照”導航模式的微型機械人——重量僅五十六克、名為“CrazyFlie”的小型無人機。它配有全向攝像頭，能結合“里程測量”找到自己留下“快照”的各個位置，可實現長達一百米距離的自主返航。其所有視覺處理都集中在一個被稱為“微控制器”的微型計算機上完成，這種計算機常見於許多便宜的電子設備中。

研究人員表示，受昆蟲啟發的自主導航策略有助於推動微型機械人在真實場景的廣泛應用，比如可用於倉庫庫存跟蹤監控或溫室作物監測等，小型無人機則能自主飛出去收集數據並返回基站。

研究人員表示，在測距方面，我們的無人機與蜜蜂的做法類似，它將光流確定的運動進行整合。為此，機械人有一個向下指向的小型攝像頭，可以跟蹤視野中事物經過的速度。更重要的是，這台攝像機還能跟蹤地面從其下方經過的方向。回程時，一旦無人機確定自己已經飛過了一張快照中記錄的距離／方向，它就會將當前的相機圖像與下一張快照進行比較。考慮到飛機在返航途中難免會有些偏移，它會修正航向，直到兩幅圖像幾乎完全吻合。假設眼前有一棵樹，而它在快照圖像中比當前圖像大。那麼無人機就需要向那棵樹移動，因為它在圖像中也會變大。”

在室內環境中以這種方式導航，無人機能夠沿着蜿蜒曲折的一百米障礙路線自主返回基地，僅使用了一點一六千字節的記憶體——這遠遠超出了大多數商用微型無人機的容量。事實上，據說這架無人機現在保持著最輕的基於視覺導航的無人機記錄。

有關這項研究的論文最近發表在《科學機械人學》雜誌上。

水 登