Richard Voyles教授：如何理解精准交互无人机？

　　2018世界机器人大会拟于8月15日至19日在北京亦创国际会展中心举行。大会以“共创智慧新动能 共享开放新时代”为主题，由“论坛”、“博览会”、“大赛”、“地面无人系统展示活动”四大版块构成。 本届大赛汇聚了来自美国、俄罗斯、德国、日本、以色列等全球近20个国家和地区的1万余支赛队和数百名顶尖专家，共计超过5万多名参赛选手同台竞技。

　　在此次论坛中，美国普渡大学教授Richard Voyles进行主题演讲“精准交互无人机在机器人和物联网领域的应用”。

　　以下是演讲全文：

　　Brad Nelson讲的内容技术性比较强，作为最后一位发言人，我需要把之前很多嘉宾的内容进行整合。刚才提到了远程感应，保护不受辐射的影响。我自己做的是比较狭隘的领域，就是无人机。

　　我个人的履历当中包括电子工程、机械工程、计算机科学，曾经在普渡、杜克明尼苏达和斯坦福任职，曾经在行业、政府和学术界工作，大小公司、创始企业等等，我在三所大学都有Tenure，也有参与三所创始企业，同时做过政府官员，曾经在美国能源部、美国国家科技基金会、白宫科技政策办公室工作，其实是科技政策办公室机器人专家，我也参与过机器人处理和废料行业的项目，可以看到我的背景是非常丰富的，所以今天要谈的精准和交互是什么意思呢？我的背景当中还有一点需要大家了解，就是我有四个女儿，很多研究生都会跟我开玩笑，我做什么事情都是三点，只有孩子是四个。

　　如何理解精准交互无人机？我要谈的不是精准农业的角度，而是从控制的角度来谈这个话题，也就是空中的精准控制。这里给大家提供一个背景，因为这个背景对我的研究非常重要，就是高度控制、力量控制和网络。

　　首先介绍的是无线传感网络，这其实是物联网的前身。之前的发言人已经提到了无线传感网络的概念，也就是利用这些闭环的网络。机器人是做什么的呢？机器人其实是在世界当中发挥作用的，不是一个网络系统，而是一个桥梁，它的传感器连接了网络世界和物理世界，从模拟世界到数字世界，机器人可以形成这样一个闭环，就是再从网络世界到物理世界。我在实验室所做的很多工作和传统所说的精确或者精准不太一样，我会强调是怎样实现这样一些精准的，包括精准无人机是一个飞行器，可以有六度的自由。

　　无限传感网络其实是物联网的前身，关注的是核心技术和低功耗长时间的传感，八九十年代主要是关注如何节约电池的电源，以及如何从一个临时的网络当中输入信息，也就是现在的云。很多人关注自组织网络的形成，还有就是传感器数据的多条路由。应用的实例就是海洋监测，我们协调了多个传感器，有对盐度的监测传感器，有对水活动监测传感器，是以小时或者天作为采样的周期，没有反馈的控制，被应用于气候变化的监测。现在无线传感器网络已经有些应用实例了，这样的努力也给我们带来了我们称为的物联网。

　　我所思考的方向有点不太一样，之前发言人提到了智慧家庭的概念，这里讲的不仅仅是评估环境，而是对环境产生影响。我们经常谈到的应用领域叫做网络物理系统，我在实验室花了几年的时间在做“智能特百惠”，我们和特百惠公司合作，打造智能厨房，实际上可以把这个厨房看作智能机器人。主要是通过传感网络实现低功耗，更长的生命周期，也要进行食品的类别和数量的传感。我们做的不是全部人类的活动，而是关注于智慧厨房，重点在于食品的准备。

　　Lumba一开始是有三个按钮，后来变成了一个按钮，也就是变得非常简单，厨房也是一样，谁希望在厨房的容器当中加上一个键盘？这种类型的问题是需要我们关注的，我们需要非常简单的操作方式，同时要有非常简单的机器学习算法，需要有技术的集群使得食品的容器能够自动地识别食物的类别，然后看一看不同的食品容器怎样基于各类人群，因为不同的人在家里使用容器的方式不太一样，美国的家庭早晨会喝麦片牛奶，使用的容器和晚上可能不一样，因为是有不同的食品品类，外表看起来是有类似的，所以需要有些自动识别的机制。

　　智能厨房需要人们帮助规划食品和午餐，可以从刚才的一张幻灯片上看出，我们会不断地看怎样能够把用户包括在内，尤其是用户的体验包含在这个环节当中。机器人只做传感和思考，人类作为实现这个行动的渠道，通过人类和智能冰箱的互动，可能会由智能冰箱跟其它的设备相联系，然后给人们提供冰箱当中储存食品的信息，这样我们开发的一些项目就要做一个以控制为核心的架构。我们知道无线传感器有很多的节点，这是我们和宾夕法尼亚大学合作的微节点，这些微节点和其它的宏节点结合，以便创造出无线的传感网络，可以实现闭环控制。

　　我们开发的另外一个伴生的产品叫做变形总线，主要是为了适应各种传感器和驱动器。我们把变形总线作为一个标准性的产品推出，和常规总线不太一样，常规总线收集传感数据的时候是这样一个流程，希望的是传感器和CPU相沟通，然后把其它的内容放进去，利用总线的沟通传感功能。这种常规总线结构当中，我们希望传感器能够对信息进行一些转换，也希望CPU能够做一些思考，所以在变形总线当中我们的转型器会在整个总线当中移动，利用这些基于设备的信号更加有效地对传感器进行变形。如果看总线的拓扑结构并不是完全崭新的结构，但是一个多极并联的总线。

　　这里我们看到的是高性能的节点，产出了宏节点和微节点，可以具有重新编程的功能，而且是自适应的软件，我们利用总线当中的架构帮助这些系统。比如我们的无人机和机器人，能够适应改变的环境，使得软件编程师的工作更加容易，可以设计一些系统，能够适应变化的环境。这些元素怎么和刚才我们提到的网络相连接？我们的网络当中并不只是计算节点，要有传感节点、思考节点和驱动节点，比如精准无人机是物理世界和网络世界之间连接的桥梁，驱动器的控制网络和无线传感器相连，要驱动现实世界智慧家庭，需要驱动实际的医疗机器人系统。这就涉及到物联网的技术了，所以和传统上讲的无线传感器网络还是有些不同。

　　刚才谈到很多带有节点的机器人，我们采用了可重构节点的履带机器人，主要应用于一些灾难的救援。我们的爬行器是非常小的设备，可以进行搜救，也可以在废墟上面寻找那些幸存者，实际的突发情况当中需要找到被废墟掩埋的那些幸存者。我们也开发出了Modern-Ship机器人，可以从这张图看得很清楚，我们的实验室除了基础研究和系统集成以外，我们关注的一方面是如何进行传感和思考，并且如何进行功能整合，这样才能真正做成实用的机器人。我们也和很多其它的实验室进行合作，因为我们知道并没有解决所有问题的能力。

　　精准农业方面我们也在做一些尝试，这里讲的无论是精准还是互动其实都需要对机器人非常精准的操控，我们的实验室研究也是在过去的几十年的方向当中不断调整。

　　互动的无人机到底应该是什么样子的呢？这是一个非常老的例子，可以说主要是空中操作移动的系统，能够移动一个非常重的物体。这里重点要关注的是这一群人，可以看到上面的无人机，这是一个载人的飞机，实际上是在做一个重力补偿，也是在做非常精准的调校和组装。这个领域也是大家都在关注的领域，也就是空中的操控。当然，考虑的不仅仅是X轴和Y轴，必须要考虑到多维的操控。最近大家都在研究六旋翼无人机，也就是实现六个自由度的无人机，可以进行更为精准的力量控制，我们希望实现的是高度的控制和方向的控制。

　　这是之前我们在无人机方面做的一些早期的工作，和视频比较相似的是，这里大家可以看到，由于可以转向不同的自由度，同样也可以在不同的方向施加力量，也在推动很多工作和应用的发展。因为和周围环境的精准互动是非常重要的，也就是将虚拟世界的信息转化为实际的行动，这些旋翼是通过在空中使用，它的精准度肯定不如地面上那么精准。蓝色的线是理想的曲线，其实是用来衡量扭矩的，需要考虑力量的大小和高度，红色的线是具体使用的效率。

　　我们通过这种方式和物理世界进行互动，可以应用于各个领域，具体的配置也要进一步优化，让其在不同的高度实现不同的精度运转，这种多旋翼的无人机来说是非常重要的。如何能够优化无人机，本身要能够做得更为精准，也是非常重要的一项工作。之前我们也是和农业部进行合作，过去的几十年在开发核电站，有些技术应用在军事领域，有些设施已经达到了生命的终点，现在需要摧毁某些设施，有些可能无法用人接近或者接触，这样能够进一步减少对人的污染。

　　我们做的是一些实验室的实验，希望能够实现不同的配置下看到不同的效果。因为这是对无人机性能进行调校，让它实现优化的表现，所以这张图实际上就是我们测试的结果，看一看如何能够对它的配置进行进一步的优化。我们也和SIFI WORK一起做了一些工作，看一看如何能够更好地作出产品的原型，能够实现这些无人机更精准的控制，比如消费产品的领域当中如何实现更好的效果。实际上优化以后表现确实是更好了，无论是哪个设计上都比以前更好一些。

　　这样会带来一些新的问题，虽然有些技术细节，比如我是那个无人机的话，想要旋翼旋转，一种是要和旋臂垂直旋转，另外就是平行向内旋转。折和固定翼非常相似，有些飞机是平行翼，有些飞机是倾斜翼，这种倾斜翼会对飞行有些特殊的影响，这里我们还是对其进行优化，看一看在力上面能够实现最优化的效果。无论是从哪个方向进行旋转，我们都要对其实现最好的调校，考虑到空气动力学的影响，稍做调整就可以移动得更快。实际上这种上反角效应即使是四旋翼的无人机，可能在实际的飞行速度上都会有20%的误差。

　　总结一下我们为什么要把传感网络技术应用在这些领域当中，比如核废物的分离，这样人就不用自己去做了。美国能源部有一个废物隔离实验场，里面有很多核废物，也有一个非常深的井，大概有600多米，还有普利茅斯的气体扩散场，把地下的污染气体引出来。当然，也有一些低密度的气体，希望将这些气体扩散限制在有限的范围内。这种扩散场大概有1英里的长度，但我们无法用一个无人机覆盖所有的地方，因为可能要收集一些残留物的样本，之后只有将前期的工作做好才能正式拆除。

　　我们采用一些简单的方式解决这些问题，很多设施都是美国能源部的东西，所以没有办法播放演示视频了。普渡大学也得到了其他机构的支持，我们也在这里做了很多实验，同样也是看一看，一方面能够减少对用户的风险，因为在有很多工人之前在那里工作，另一方面需要将工厂进行清理，减少对人们的伤害。