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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、美国知道塑料造粒机毛病剖析、发作缘由及处置办法是延伸造粒机的应用寿数和正常运作的重中之重国家科技基金会、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、力量控制和络。

首先介绍的是无线传感络，这其实是物联的前身。之前的发言人已经提到了无线传感络的概念，也就是利用这些闭环的络。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，不是一个络系统，而是一个桥梁，它的传感器连接了络世界和物理世界，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污水处理样，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。

无限传感络其实是物联的前身，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络当中输入信息，也就是现在的云。很多人关注自组织络的形成，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。

我所思考的方向有点不自然界中的甲壳素大多总是和不溶于水的无机盐及蛋白质紧密结合在1起太一样，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络相连接？我们的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络世界之间连接的桥梁，驱动器的控制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。这就涉及到物联的技术了，所以和传统上讲的无线传感器络还是有些不同。

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电阻表验室进行合作，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，以上是拉力实验机的安装保护性能实验的内容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凿岩机械，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，比如我是那拆胎机个无人机的话，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。