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設(shè)備與工具上周，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院教授以及「Verity Studios」工作室的創(chuàng)始人拉菲羅·安德烈（Raffaello D’Andrea），在TED2016的演講臺上生動地展示了他的全系列新奇飛行器。包括有：立式垂直起落飛機（Tail-Sitter），一個小巧的、固定翼飛機，它可以在干擾之后恢復(fù)到最佳的穩(wěn)定位置，并且可以從盤旋平穩(wěn)地過渡到向前和向后飛行。單螺旋機（Monospinner），世界上機械最簡單的飛行器，只有一個單獨的運動部件。全向直升機（Omnicopter），世界首個能從自身方向和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)切換到任何飛行方向的飛行器。還有合成蜂群（synthetic swarm ），螢火蟲般盤旋在觀眾頭上的33只迷你飛行器。
從安德魯最新演示的這些作品，可以看出他致力于提升自主飛行器所能夠達(dá)到的極限邊界。一個核心的要素是「定位」：要讓功能自主化，機器人必須知道他們處于空間的什么位置。之前，他的團隊依靠的是一種外部的高精確運動捕捉系統(tǒng)來定位，這需要在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的「飛行器舞臺（Flying Machine Arena ）」里面才能實現(xiàn)。這意味著在實驗室之外，這個算法是很難演示的。也意味著 在動作捕捉系統(tǒng)的中央處理器上會存在一個「單點失誤SPOF」——這是任何「安全關(guān)鍵系統(tǒng)」的高發(fā)問題點。
注：「飛行器舞臺（Flying Machine Arena ）」是一個適用于自主飛行器的便攜式空間，有10立方米，包括一個高精度運動捕捉系統(tǒng)，一個無線通訊網(wǎng)絡(luò)，一套執(zhí)行復(fù)雜算法的軟件來實現(xiàn)預(yù)測和控制。
換一句話說，安德烈教授和他的團隊現(xiàn)在展示了一個新開發(fā)的、雙倍自動備援的定位技術(shù)，這個技術(shù)來自從他實驗室剝離出來的「Verity Studios」工作室。這給飛行器和機器人的自主性賦予了一個新的水平。在這些生動的展示中，所有的飛行器使用了機載傳感器——決定飛行器的空間位置，還有機載計算器——決定怎樣運動。沒有外置的攝影頭。機器人接受的、僅有的遙控指令就是高級別的指令，例如「起飛」或「著陸」。
幾十個飛翔在觀眾頭頂上的飛行器的飛行動作非常自然，也是大大超過先例。在演示的飛行器里，還包括一個比較重的、高性能的四翼直升機，具有自動備援功能并且應(yīng)用了「藝術(shù)范兒失效保護算法」，還有其他一些機載、非機載特性。
各類定位系統(tǒng)有很多失敗的模式，同時也有很多種安全和備援特性，TED的組織者對此進行了廣泛的討論，并對此系統(tǒng)的安全可靠性給予了十足的信心。為了戰(zhàn)勝「無人機禁止在會場使用」的法規(guī)，TED主辦方甚至決定承擔(dān)會場的失誤賠償。
演講稿
一個業(yè)余愛好者平臺的起點是它有望成長為一個價值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。檢驗、環(huán)境監(jiān)測、攝影與電影和新聞：這些是商業(yè)無人機的一些潛在應(yīng)用，而其推動它們的則是全世界的研究機構(gòu)所正在開發(fā)的各種功能。
例如，在空中包裹遞送進入我們的社會認(rèn)知之前，一隊自動飛行器就曾在法國FRAC中心當(dāng)著現(xiàn)場觀眾的面用1500塊磚塊建造了一座高達(dá)六米的塔，而幾年之后，它們又開始牽著繩子飛。用繩子系住這些飛行器，可以讓它們在非常狹窄的空間中獲得很高的速度和加速度。它們也能自動建造張力結(jié)構(gòu)。學(xué)會的技能包括怎么負(fù)載、怎么應(yīng)對干擾以及一般地怎么與物理世界交互。
今天我們想向你展示一些我們正在努力的新項目。它們的目標(biāo)是推動擴大自動飛行的應(yīng)用范圍。
1Tail-Sitter – IDSC, ETH Zurich
現(xiàn)在對一個自動化工作的系統(tǒng)而言，它必須完全知道其移動物體在空間中的位置?；氐轿覀兲K黎世聯(lián)邦理工學(xué)院實驗室，我們通常使用外部相機定位物體，這讓我們可以將精力專注于高動態(tài)任務(wù)的快速發(fā)展上。但是在今天的演示中你將看到，我們將使用由我們實驗室的一個分支機構(gòu)Verity工作室開發(fā)的新定位技術(shù)。這里沒有使用外部相機。每一架飛行器都使用機載傳感器確定自己的空間位置，使用機載計算確定其應(yīng)該進行的下一步動作。僅有的外部命令是比較高級的命令，比如「起飛」和「降落」。
The Tail-sitter. Photo: Bret Hartman / TED
這就是所謂的立式起落飛機（tail-sitter）。它是一種試圖兼得魚和熊掌的飛機。和其它固定翼飛機一樣，它向前飛的效率更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直升機及類似的變體。但又和其它的固定翼飛機不同，它能夠懸停，這讓它在起飛、降落和通常的動作上擁有巨大優(yōu)勢。很遺憾天下沒有免費的午餐。立式起落飛機的一個局限是它們?nèi)菀资艿疥囷L(fēng)之類的干擾。我們正在開發(fā)一種新的控制架構(gòu)和算法來解決這樣的局限。我們的想法是讓飛機無論如何都要恢復(fù)其原有的狀態(tài)，而通過訓(xùn)練，還能夠隨著時間提高其效能。
2Monospinner – IDSC, ETH Zurich
The Monospinner. Photo: Marla Aufmuth / TED
做研究時，我們經(jīng)常問自己一些基本的抽象問題，以試圖了解問題的核心。比如說，有一個這樣的問題，受控飛行所需的最小組件數(shù)量是多少？現(xiàn)在，也有現(xiàn)實的原因讓你想要知道這類問題的答案。例如直升機，人們深切地認(rèn)為它是一種帶著上千個謀劃著給你帶來身體傷害的運動部件的機器。事實證明幾十年前，熟練的飛行員有能力遙控控制只有兩個運動部件的飛機飛行：一個螺旋槳和一個尾翼。我們最近發(fā)現(xiàn)只要一個（運動部件）就夠了。
這是一個單螺旋機（monospinner），世界上機械結(jié)構(gòu)最簡單的可控飛行器，幾個月前才剛被發(fā)明出來。它只有一個運動部件：螺旋槳。它沒有襟翼、沒有鉸鏈、沒有副翼、沒有其它執(zhí)行器、沒有其它控制面，只有一個簡單的螺旋槳。盡管機械結(jié)構(gòu)很簡單，但要讓它穩(wěn)定飛行并移動到空間中任意想要的位置，還需要在其小小的電子大腦中下一番功夫。即便如此，它還沒有立式起落飛機的復(fù)雜算法，這意味著如果想讓它飛起來，我必須正確地將其扔出去。而因為我正確扔出的概率非常低，因為大家都在看我，我們就展示一下我們昨晚拍攝的視頻好了。
3Omnicopter – IDSC, ETH Zurich
The Omnicopter. Photo: Bret Hartman / TED
如果單螺旋機只算是簡樸的實踐，這里的機器，帶有八個螺旋槳的全向直升機（omnicopter）就算是超量的實踐?？梢杂眠@些盈余做些什么呢？要注意它是高度對稱的。因此，它完全不具有方向性。這給它帶來非凡的能力。如果不考慮需要面對的方向和怎么旋轉(zhuǎn)，它可以移動到空間中任何想要的位置。它也有其自身的復(fù)雜性，主要的問題是在8個螺旋槳所產(chǎn)生氣流的交互上。其中一些問題可以通過建模解決，而剩下的需要在飛行中學(xué)習(xí)。讓我們來看看。
4Fully redundant multicopter – Verity Studios
Fully redundant quadcopter. Photo: Ryan Lash / TED
如果飛行器要成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，它們需要變得非常安全可靠。這個機器事實上是兩個獨立的雙螺旋漿飛行器。這一個想順時針旋轉(zhuǎn)。另一個想逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)你將它們放到一起時，它們的行為就像是一架高性能四軸無人機。但如果出現(xiàn)問題——電機故障、螺旋槳故障、電子組件甚至電池組故障——這個機器仍然能飛，盡管性能下降了。現(xiàn)在我們將向你們展示一下禁用其中一半時的情況。
5Synthetic swarm, 33 small flying machines – Verity Studios
Photo: Bret Hartman / TED
最后的演示是融合機群（synthetic swarm）的探索。大量自動的、協(xié)作的實體為審美表達(dá)提供了新的調(diào)色板。我們使用了商業(yè)微型四軸無人機，每一個的重量都低于一片面包，順便一提，它們配置了我們的定位技術(shù)和自定義算法。因為其中每一個單元都知道其在空間中的位置并能自己控制自己，那它們的數(shù)量上就不存在限制。（掌聲）
希望這些演示能激發(fā)你夢想飛行器具有的新的革命性角色。比如說這里超安全的那個有志向成為百老匯的飛行燈罩。（笑聲）
現(xiàn)實情況下很難預(yù)測新生技術(shù)的影響。而對于我們這樣的人，真正的獎賞是創(chuàng)造的旅程和行為。它不斷提醒著我們我們生活的這個宇宙是多么美妙而神奇，讓有創(chuàng)造力的聰明的生物能以這樣壯觀的方式雕刻它。事實上，這項技術(shù)的巨大商業(yè)價值和經(jīng)濟潛力只是錦上添花而已。謝謝。
2025-09-12 11:30
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