一只小蜜蜂如何啟發(fā)了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航

????????警用裝備網(wǎng)訊：?在生活中，我們應(yīng)該都見(jiàn)過(guò)這樣的畫(huà)面：一只小蜜蜂，從一朵花飛躍到另一朵花，并巧妙地避開(kāi)人或物體。令人好奇的是，這種可可愛(ài)愛(ài)的昆蟲(chóng)是如何掌握導(dǎo)航技巧的？答案是「光流法」，生物學(xué)家對(duì)飛行類(lèi)昆蟲(chóng)的這項(xiàng)技能非常熟悉，現(xiàn)在，它也被用到了機(jī)器人身上。機(jī)器人領(lǐng)域的研究者一直試圖模仿昆蟲(chóng)的「光流法」，來(lái)自代爾夫特理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者提出了一種基于光流的學(xué)習(xí)過(guò)程，能使機(jī)器人通過(guò)視域中物體的外觀（比如形狀、顏色、紋理）來(lái)估計(jì)距離。這篇論文利用基于 AI 的學(xué)習(xí)策略提升小型無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航水平，并帶來(lái)了關(guān)于昆蟲(chóng)智能的新猜想。該文章登上了《自然 - 機(jī)器智能》雜志的封面。論文地址：https://www.nature.com/articles/s42256-020-00279-7

　　光流

　　首先，我們要理解蜜蜂是如何落在花朵上以及避障的。如果想要讓小型飛行機(jī)器人像大型自動(dòng)駕駛汽車(chē)一樣具備自主性，它們就必須使用一種高效的人工智能，類(lèi)似于飛行類(lèi)昆蟲(chóng)高度發(fā)展的智能。

　　光流 (Optical flow) 是關(guān)于視域中的物體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的概念。當(dāng)物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在圖像上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的亮度模式也在運(yùn)動(dòng)，因此可以通過(guò)檢測(cè)圖像像素點(diǎn)的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，推斷出物體移動(dòng)速度及方向。該方法經(jīng)常用來(lái)描述相對(duì)于觀察者的運(yùn)動(dòng)所造成的觀測(cè)目標(biāo)、表面或邊緣的運(yùn)動(dòng)，在樣型識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及其他影像處理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

圖片來(lái)源：https://nanonets.com/blog/optical-flow/

　　很多昆蟲(chóng)會(huì)使用簡(jiǎn)單、優(yōu)雅的光流策略來(lái)處理復(fù)雜任務(wù)，比如著陸的蜜蜂借助光流的散度（divergence）來(lái)捕獲食物在視野中變大的速度。如果蜜蜂正要著陸，這種散度會(huì)持續(xù)增加，例如從視野上看，草地變得越來(lái)越大。但在著陸的過(guò)程中，蜜蜂會(huì)通過(guò)減慢速度來(lái)保持散度的恒定，最終實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的軟著陸。

　　論文第一作者 Guido de Croon 表示，在飛行機(jī)器人中實(shí)施這些策略絕非易事，比如設(shè)計(jì)出來(lái)的飛行機(jī)器人實(shí)際上并不能著陸，它們會(huì)開(kāi)始擺動(dòng)，并不斷地在著陸表面上方上下游動(dòng)。

　　光流有兩個(gè)基本局限性。首先，光流只能提供有關(guān)距離和速度的混合信息，而不能分別提供二者的信息。比如兩架正在著陸的無(wú)人機(jī)，其中一架的飛行高度和速度是另一架無(wú)人機(jī)的兩倍，那么它們的光流是完全相同的。但是為了實(shí)現(xiàn)良好的控制，這兩架無(wú)人機(jī)實(shí)際上應(yīng)該對(duì)光流散度的離差（deviation）作出不同反應(yīng)。如果無(wú)人機(jī)著陸時(shí)不能適應(yīng)這種反應(yīng)，它就無(wú)法真正著陸，并在著陸表面上方來(lái)回晃蕩。

　　其次關(guān)于躲避障礙物，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向上，光流是很小的。這意味著在該方向上光流測(cè)量會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此幾乎沒(méi)有障礙物存在的信息，最重要的障礙也是最難發(fā)現(xiàn)的障礙。

無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的光流場(chǎng)?？梢钥闯觯陲w行方向上的光流量最小，這條路徑上的樹(shù)是最難發(fā)現(xiàn)的。

　　如何解決上述問(wèn)題呢？該研究提出讓機(jī)器人學(xué)習(xí)環(huán)境的視覺(jué)外觀，下圖 1 展示了環(huán)境視覺(jué)外觀包含這兩個(gè)問(wèn)題的解。

? ? ? 如上圖 1 a 所示，不同顏色的兩只蜜蜂有相同的光流，但是看到的花朵的視覺(jué)大小不同。在圖 1 b 中，紅色障礙物雖然不那么容易通過(guò)檢測(cè)到，但它的視覺(jué)外觀和大小是很容易檢測(cè)的。

　　讓機(jī)器人學(xué)會(huì)「光流法」

　　研究者意識(shí)到，如果機(jī)器人不僅能夠領(lǐng)會(huì)到光流，還能「看見(jiàn)」環(huán)境中物體的外觀，上述兩個(gè)問(wèn)題也就迎刃而解了。Guido de Croon 表示：「這將使機(jī)器人看到場(chǎng)景中物體的距離，就像我們?nèi)祟?lèi)估計(jì)靜止圖像中的距離一樣?！宫F(xiàn)在的問(wèn)題是：機(jī)器人如何學(xué)會(huì)看到距離？

　　在本項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)提出了一種新理論，飛行機(jī)器人可以主動(dòng)制造光流振蕩，進(jìn)而了解環(huán)境中物體在不同距離時(shí)的外觀。通過(guò)這種方式，機(jī)器人可以了解著陸過(guò)程中從不同高度看草地時(shí)的質(zhì)地區(qū)別，或者在森林中飛行時(shí)從不同距離看樹(shù)皮的區(qū)別。無(wú)人機(jī)可以利用振動(dòng)感知與物體之間的距離。

圖中是無(wú)人機(jī)正在學(xué)習(xí)檢測(cè)并避免在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上碰到障礙物。

　　論文作者之一 Christophe De Wagter 表示：「通過(guò)視覺(jué)外觀，機(jī)器人學(xué)會(huì)了觀察距離，比以前更快、更平穩(wěn)地著陸?！勾送?，機(jī)器人也能夠非常清楚地看見(jiàn)飛行方向上的障礙物，這不僅提高了機(jī)器人的障礙物探測(cè)能力，還實(shí)現(xiàn)了飛行加速。

　　這項(xiàng)研究不僅與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)，還為昆蟲(chóng)智能提供了新的猜想。研究團(tuán)隊(duì)成員 Tobias Seidl 說(shuō)：「一般蜜蜂實(shí)驗(yàn)從學(xué)習(xí)階段開(kāi)始，在這個(gè)階段，蜜蜂熟悉新環(huán)境和新線(xiàn)索時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種振蕩表現(xiàn)。相關(guān)論文中介紹的最終測(cè)量通常在該學(xué)習(xí)階段結(jié)束后進(jìn)行，并且主要集中在光流的影響上。而該研究展示的學(xué)習(xí)過(guò)程對(duì)飛行昆蟲(chóng)如何改進(jìn)導(dǎo)航技能帶來(lái)了新的假設(shè)。」

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