像蝙蝠一樣的無人機，你見過么？

現在，它已被實現出來了。

(資料圖片僅供參考)

長這樣：

等等……這跟蝙蝠有什么關系？

事實上，該無人機原理來自蝙蝠，即：在黑暗中靠回聲定位進行飛行。

據研究者介紹，他們只靠廉價音頻設備，實現無人機的實時定位與地圖構建。

因其體積小，所用材料廉價，在陌生環境探索、搜索救援迷路者等領域，有廣泛應用。

目前，該成果剛被IEEE Robotics and Automation Letters收錄。

Reddit上，相關帖子點贊破千。

有網友調侃道——這項目肯定是蝙蝠俠本人布魯斯韋恩投的。

也有網友擔憂——

此類低成本、易實現的產品也可用來追捕人類，造成更多傷害。

它到底如何實現的？

繼續往下看。

實現無人機“聽音辨位”

在過去，傳統無人機執行障礙物檢測、定位和地圖構建等任務中，所使用的往往是攝像頭、激光雷達等傳感器——

但是，這些設備對于更小體積的無人機來說，根本帶不動。

此番，研究團隊參考了蝙蝠發出超聲波并根據回聲定位的方式，依靠聲音的發射與接收，實現對空間的感知。

更直白地說，讓無人機“喊出來”，再根據“回聲”來辨別周邊環境狀況。

數據處理方面，鑒于目前主動回聲定位算法并不發達，團隊依靠一套基于干涉回聲定位算法的端到端的pipeline。

其中包含了一個實時定位與地圖構建框架，并集成了粒子濾波和因子圖推斷。

具體如下圖。

不同顏色描繪兩個麥克風在不同位置接收的聲波，這些信號通過校準、周期估計、粒子濾波得到因子圖，再進行相應方位和角度的估計。

為實現上述思路，研究團隊將四個麥克風和蜂鳴器安裝在一種易于開發的小型無人機Crazyflie上面。

通過無人機收集數據，然后，靠藍牙傳輸到地面端設備，再進行相應的處理。如此一來，分析過程可小于75ms。

該過程如下圖：

到了實驗環節，研究者先讓無人機逐漸靠近墻壁，該過程保持高度不變，獲得各距離下，聲波干涉情況，并將之與理論估計值對比。

結果顯示兩者較為貼合。

而后，他們對性能（精度）進行了測量。

結果發現——當無人機距離墻面40cm以內，其測量值可靠，其最大誤差在2cm以下。

當距離進一步縮小到30cm，角度估計數值也變得更可靠，最大誤差小于20度。

更進一步，研究團隊將麥克風數量改變，測試其表現。

結果發現，隨著麥克風數量變少，無人機偵測性能在下降，但有意思的是，即便只有一個麥克風（下方深色線），其性能表現依然較為滿意。

至于無人機在運動過程中，識別障礙精度如何？

研究團隊也進行了實驗。

如下方左圖，即便在運動過程中，無人機距墻體8厘米時，也能表現出不錯精度。

不過在角度測定上表現平平（下方右圖），團隊認為，他們的算法在角度估計方面對噪聲更為敏感。

盡管目前，該方案只能在半米遠地方，進行2cm精度的偵測，對比成熟方案仍有差距，但從落地角度看，其成本低、重量輕，體積小特點意味著，該成果在很多場景仍是可靠的替代方案。

科研團隊表示，接下來，他們還將提高其準確性，并看看能否消除系統生成聲音的需要，不用“喊出聲”。

研究團隊

最后，介紹上述科研成果的貢獻者們。

一作Frederike Dümbgen，她是一位機器人領域研究者，專注于信號處理與優化方向。

Frederike Dümbgen博士畢業于洛桑聯邦理工學院計算機與通信科學學院，目前是多倫多大學自主空間機器人實驗室 (ASRL) 的博士后。

二作Adrien Hoffet，來自洛桑聯邦理工學院計算機與通信科學學院。

參考鏈接

[1]https://www.engadget.com/echolocation-small-robots-search-and-rescue-103953284.html

[2]https://www.reddit.com/r/gadgets/comments/10tsf5x/echolocation_could_give_small_robots_the_ability/

[3]https://arxiv.org/abs/2301.08327v1

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