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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具
圖片：ARPL / NYU
將有效載荷懸掛在長(zhǎng)繩上以進(jìn)行無人機(jī)運(yùn)輸?shù)牟呗?，它使無人機(jī)及其所有尖刺部件遠(yuǎn)離未經(jīng)培訓(xùn)的用戶，同時(shí)保留了向可能有附近障礙物的特定區(qū)域交付貨物的能力。但這還增加了一些風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橐坏┯行ж?fù)載不在那條較長(zhǎng)的繩索上，至少在兩個(gè)軸上就會(huì)失去控制。而且會(huì)忘記無人機(jī)在進(jìn)行此操作時(shí)會(huì)做什么事情，因?yàn)槿绻麩o人機(jī)開始四處移動(dòng)，那么誰會(huì)知道有效載荷會(huì)發(fā)生什么呢？
紐約大學(xué)的機(jī)器人專家就是這樣。
這項(xiàng)研究是由紐約大學(xué)敏捷機(jī)器人與感知實(shí)驗(yàn)室（ARPL）的Guanrui Li，Alex Tunchez和Giuseppe Loianno進(jìn)行的。正如視頻中看到的那樣，無人機(jī)使對(duì)懸浮的有效載荷進(jìn)行堅(jiān)如磐石的控制看起來很容易，但是要做到這一點(diǎn)卻并非如此，尤其是考慮到您所看到的一切都是以500Hz的頻率在無人駕駛飛機(jī)上運(yùn)行的，只需要一個(gè)IMU向下的單眼相機(jī)，以及無人機(jī)的Snapdragon處理器。
為了使其正常工作，無人機(jī)必須考慮兩件事。
首先，有狀態(tài)估計(jì)，這是無人機(jī)本身的行為以及系繩末端的有效載荷。無人機(jī)通過使用攝像頭觀察有效載荷的運(yùn)動(dòng)并通過IMU跟蹤其自身的運(yùn)動(dòng)來解決這一問題。其次，要預(yù)測(cè)有效載荷接下來將要做什么。研究人員為此開發(fā)了一種模型預(yù)測(cè)控制（MPC）系統(tǒng)，并增加了一些感知限制，以確保無人機(jī)的行為將有效載荷保持在攝像機(jī)的視野范圍內(nèi)。
目前，系統(tǒng)的最高速度為4 m / s，但這聽起來像不是在增加單個(gè)有效載荷搖擺無人機(jī)的速度，而是通過使用多架無人機(jī)使整個(gè)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜協(xié)作管理太大或太重的系留有效載荷，以至于一架無人機(jī)無法獨(dú)自處理。
有關(guān)問題，ARPL負(fù)責(zé)人Giuseppe Loianno指出：
Giuseppe Loianno：我們首次聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種感知受限的模型預(yù)測(cè)控制和狀態(tài)估計(jì)方法，以利用機(jī)載傳感和計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)帶有電纜懸掛有效載荷的四旋翼飛機(jī)的自主性。所提出的控制方法保證了機(jī)器人攝像機(jī)中有效載荷的可見性以及對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和執(zhí)行器約束的尊重。這些是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)方面，對(duì)于涉及物體運(yùn)輸?shù)倪@種復(fù)雜而微妙的任務(wù)，要保證安全性和彈性。
額外的挑戰(zhàn)涉及以下事實(shí)：我們旨在使用最小的傳感器套件來解決上述問題，該傳感器套件用于由單個(gè)攝像機(jī)和IMU進(jìn)行自主導(dǎo)航。這是一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，因?yàn)樗瑫r(shí)涉及估計(jì)負(fù)載和車輛狀態(tài)。先前的方法利用GPS或運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，并且在解決問題時(shí)不考慮感知和物理約束。我們有信心，我們的解決方案將有助于實(shí)現(xiàn)倉庫中或目前沒有GPS信號(hào)或陰影不清晰的密集城市中的自動(dòng)交付過程。
對(duì)于使用致動(dòng)電纜并且僅使負(fù)載保持懸掛狀態(tài)以進(jìn)行輸送的輸送系統(tǒng)，這會(huì)有所不同嗎？
我們認(rèn)為，增加驅(qū)動(dòng)電纜會(huì)帶來更多的弊大于利。當(dāng)然，在有風(fēng)的情況下，可以利用驅(qū)動(dòng)電纜來補(bǔ)償電纜的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和/或提高輸送精度。然而，引入額外的致動(dòng)機(jī)構(gòu)和部件是以增加系統(tǒng)質(zhì)量和慣性為代價(jià)的。這將減少總體飛行時(shí)間和車輛的敏捷性，以及系統(tǒng)在運(yùn)輸任務(wù)方面的彈性。最后，與被動(dòng)機(jī)制相比，主動(dòng)機(jī)制的設(shè)計(jì)也更加困難。
在所有這些車載上進(jìn)行挑戰(zhàn)是什么？
解決這個(gè)問題存在幾個(gè)挑戰(zhàn)。首先，很難在這樣的受計(jì)算約束的平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行感知和動(dòng)作。第二，如果在我們的情況下考慮基于感知的約束后退水平控制問題，則第一方面將變得更具挑戰(zhàn)性，該問題旨在保證運(yùn)動(dòng)期間有效載荷的可見性，同時(shí)兼顧所有系統(tǒng)的物理和傳感限制。最后，以較高的速度運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)以充分釋放系統(tǒng)的靈活性一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們目前能夠達(dá)到500 Hz的速率。
這種方法可以適應(yīng)各種形狀，大小和質(zhì)量的負(fù)載嗎？空氣動(dòng)力學(xué)或風(fēng)中飛行怎么辦？
從技術(shù)上講，我們的方法可以輕松適應(yīng)各種尺寸和質(zhì)量的物體。我們以前的貢獻(xiàn)已經(jīng)顯示出能夠估計(jì)車輛/負(fù)載配置的在線變化的能力，并且可以潛在地用于在負(fù)載特征未知和/或可能在連續(xù)飛行中變化的動(dòng)態(tài)條件下操作建議的系統(tǒng)。這對(duì)于需要運(yùn)輸或操作不同類型對(duì)象的包裹運(yùn)送或倉庫操作都非常有用。
空氣動(dòng)力學(xué)問題是一個(gè)重點(diǎn)?？偟膩碚f，我們過去的工作已經(jīng)研究了單個(gè)機(jī)器人在沒有負(fù)載的情況下風(fēng)擾的空氣動(dòng)力學(xué)特性。為擬議的系統(tǒng)提出這些問題具有挑戰(zhàn)性，并且仍然是一個(gè)開放的研究問題。我們有一些想法可以解決這個(gè)問題，將貝葉斯估計(jì)技術(shù)與最新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，我們將在不久的將來解決它。
對(duì)系統(tǒng)性能有哪些限制？懸浮的有效負(fù)載能達(dá)到多快和敏捷？
性能極限由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感系統(tǒng)確定。我們的方法本質(zhì)上既考慮了系統(tǒng)的物理限制，又考慮了系統(tǒng)的感知限制。從傳感和計(jì)算的角度來看，我們認(rèn)為速度將接近4 m / s的極限。更快的速度可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊，同時(shí)降低負(fù)載跟蹤精度。此外，更快的運(yùn)動(dòng)以及我們剛才提到的空氣動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)都會(huì)增加。將來，對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行建模并將其納入建議的解決方案中可進(jìn)一步推動(dòng)敏捷性。
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