摘要：在2018WRC主論壇上，Richard Voyles教授就精準(zhǔn)無人機的技術(shù)關(guān)鍵作了詳盡闡述。

Richard Voyles, 美國普渡大學(xué)（Purdue University）機器人學(xué)院創(chuàng)建人及領(lǐng)頭人，普渡大學(xué)特聘杰出學(xué)者，工程技術(shù)學(xué)院、計算機信息技術(shù)學(xué)院名譽教授。曾任職于奧巴馬政府白宮科學(xué)技術(shù)發(fā)展政策制定辦公室，和弗吉尼亞阿靈頓美國國家科學(xué)基金會，現(xiàn)任職于美國國家自然基金委員會，擔(dān)任機器人和物聯(lián)網(wǎng)項目審批負責(zé)人。參建國家機器人計劃、美國聯(lián)邦航天局準(zhǔn)則、智能城市、創(chuàng)新和勞動力開發(fā)以及知識產(chǎn)權(quán)等領(lǐng)域。

以下為Richard Voyles在2018世界機器人大會上主題為《精準(zhǔn)無人機在機器人和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用》的演講內(nèi)容：

如何理解精準(zhǔn)交互無人機？從控制角度來講，也就是空中的精準(zhǔn)控制，其中包括高度控制、力量控制和無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

IoT“前生”：無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。機器人在其中發(fā)揮的不是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用，而是一個橋梁的作用，它的傳感器連接了網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界。從模擬世界到數(shù)字世界，機器人可以形成一個閉環(huán)。我在實驗室所做的很多工作和傳統(tǒng)所說的精確或者精準(zhǔn)不太一樣，我會強調(diào)是怎樣實現(xiàn)這樣一個精準(zhǔn)的，例如精準(zhǔn)無人機可以通過六個自由度實現(xiàn)更高的精準(zhǔn)度。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)其實是物聯(lián)網(wǎng)的前身，關(guān)注的是核心技術(shù)和低功、耗長時間的傳感。八九十年代主要是關(guān)注低功耗，以及如何從一個臨時網(wǎng)絡(luò)中輸入信息，也就是早期“云”的概念。很多人關(guān)注自組織網(wǎng)絡(luò)的形成和傳感器數(shù)據(jù)的多跳路由?，F(xiàn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)已有諸多應(yīng)用實例，例如在海洋監(jiān)測中的應(yīng)用，我們協(xié)調(diào)了多個傳感器，有對鹽度監(jiān)測的傳感器，有對水活動監(jiān)測的傳感器，以小時或天作為采樣周期，但是這個系統(tǒng)沒有反饋環(huán)節(jié)，現(xiàn)在該系統(tǒng)已經(jīng)被用于氣候變化的監(jiān)測。

在智慧家庭概念中，要考慮的不僅僅是評估環(huán)境，還有對環(huán)境產(chǎn)生的影響。我們經(jīng)常談到的應(yīng)用領(lǐng)域叫作網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，例如我們在實驗室花數(shù)年時間做的“智能特百惠”。這是我們與特百惠公司合作打造的智能廚房，實際上可以把這個廚房看作智能機器人。它主要通過傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低功耗、長生命周期，以及食品類別和數(shù)量的傳感。我們做的不是全部人類的活動，而是將重點放在廚房中食品的準(zhǔn)備上。

微節(jié)點和變形總線帶來網(wǎng)絡(luò)迭代

智能廚房需要人們幫助規(guī)劃食品和午餐，我們會不斷地考慮怎樣把用戶包括在內(nèi)，尤其是用戶體驗包含在這個環(huán)節(jié)中。機器人只做傳感和思考，通過人類和智能冰箱的互動，由智能冰箱跟其它設(shè)備相聯(lián)系，然后給人們提供冰箱當(dāng)中儲存食品的信息，這樣我們開發(fā)的一些項目就要做一個以控制為核心的架構(gòu)。我們知道無線傳感器有很多節(jié)點，我們和賓夕法尼亞大學(xué)合作做了微節(jié)點，這些微節(jié)點和其它的宏節(jié)點結(jié)合，創(chuàng)造出無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

我們開發(fā)的另外一個伴生的產(chǎn)品叫做變形總線，主要是為了適應(yīng)各種傳感器和驅(qū)動器。我們把變形總線作為一個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品推出，和常規(guī)總線不同，常規(guī)總線收集傳感數(shù)據(jù)時候是這樣一個流程：首先希望傳感器和CPU相溝通，然后把其它的內(nèi)容放進去，利用總線的溝通實現(xiàn)傳感功能。這種常規(guī)總線結(jié)構(gòu)當(dāng)中，我們希望傳感器能夠?qū)π畔⑦M行一些轉(zhuǎn)換，也希望CPU能夠做一些思考，所以在變形總線當(dāng)中我們的轉(zhuǎn)型器會在整個總線當(dāng)中移動，利用這些基于設(shè)備的信號更加有效地對傳感器進行變形。其中，總線的拓撲結(jié)構(gòu)并不是完全嶄新的，但是卻是一個多極并聯(lián)的總線結(jié)構(gòu)。

高性能的節(jié)點產(chǎn)出了宏節(jié)點和微節(jié)點，具有重新編程的功能，而且是自適應(yīng)的軟件，我們利用總線當(dāng)中的架構(gòu)幫助這些系統(tǒng)。例如無人機和機器人要能夠適應(yīng)改變的環(huán)境，而為了使得軟件工程師的工作更簡單，可以設(shè)計一些能夠適應(yīng)變化的環(huán)境的系統(tǒng)。這些元素怎么和剛才我們提到的網(wǎng)絡(luò)相連接？我們的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中并不只有計算節(jié)點，還有傳感節(jié)點、思考節(jié)點和驅(qū)動節(jié)點，例如精準(zhǔn)無人機是物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界之間連接的橋梁，驅(qū)動器控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器相連，驅(qū)動現(xiàn)實世界中的智慧家庭，驅(qū)動實際的醫(yī)療機器人系統(tǒng)。這就涉及到物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)了，所以和傳統(tǒng)上講的無線傳感網(wǎng)絡(luò)還是有些不同的。

剛才談到很多帶有節(jié)點的傳感器，我們借此研發(fā)了履帶機器人，主要應(yīng)用于一些救援場景。我們的爬行機器人非常小，可以進行搜救，可以在廢墟中尋找被掩埋的幸存者。我們還開發(fā)出了MOTHERSHIP機器人，我們的實驗室除了基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)集成外，還關(guān)注如何進行傳感和思考，并且進行功能整合，這樣才能真正做成實用的機器人。

高精準(zhǔn)交互無人機的研究

高精準(zhǔn)交互無人機到底應(yīng)該是什么樣的？這是一個很老的例子，主要實現(xiàn)空中操作移動的系統(tǒng)，能夠移動重物。這里重點要關(guān)注的是這一群人，上圖中的無人機是一個載人飛機，實際上是在做一個重力補償，也在做非常精準(zhǔn)的調(diào)校和組裝。當(dāng)然，考慮的不僅僅是X軸和Y軸，必須要考慮多維操控。最近大家都在研究六旋翼無人機，也就是實現(xiàn)六個自由度的無人機，六旋翼無人機有更精準(zhǔn)的力量控制。

這是之前我們在無人機方面做的一些早期的工作，大家可以看到，由于可以轉(zhuǎn)向不同的自由度，同樣也可以在不同的方向施加力。因為和周圍環(huán)境的精準(zhǔn)互動是非常重要的，也就是將虛擬世界的信息轉(zhuǎn)化為實際的行動，這些旋翼通過在空中使用，其精準(zhǔn)度肯定不如地面上那么精準(zhǔn)。藍色曲線是理想的曲線，用來衡量扭矩，需要考慮力量的大小和高度，紅色曲線是具體使用的效率。

我們通過這種方式和物理世界進行互動可以應(yīng)用到各領(lǐng)域。在具體應(yīng)用中，具體的配置也要進一步優(yōu)化，讓其在不同的高度實現(xiàn)不同的運轉(zhuǎn)精度，這對于多旋翼無人機來說很重要。要優(yōu)化無人機，無人機本身就要做得更精準(zhǔn)。之前我們和農(nóng)業(yè)部合作，過去幾十年在做開發(fā)核電站用無人機的相關(guān)工作，有些技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，有些設(shè)施已經(jīng)壽終正寢，現(xiàn)在需要摧毀，為減少對人的傷害，可以用無人機代替人類進行一些人無法接近或者接觸的核污染等地方。

我們希望通過實驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)在不同的配置下看到不同的效果，從而對無人機性能進行調(diào)校，達到更好性能，所以這張圖實際上就是我們測試的結(jié)果，看一看如何能夠?qū)λ呐渲眠M行進一步的優(yōu)化。我們也和合作伙伴一起做了一些工作，研究如何更好地做出無人機產(chǎn)品原型，能夠?qū)崿F(xiàn)這些無人機更精準(zhǔn)的控制，比如消費產(chǎn)品領(lǐng)域當(dāng)中如何實現(xiàn)更好的效果。實際上優(yōu)化以后表現(xiàn)確實是更好了，無論是從哪方面來看，都比以前更好一些。

這樣會帶來一些新的問題，有些技術(shù)細節(jié)，例如想要無人機的旋翼旋轉(zhuǎn)的話，一方面需要旋臂垂直旋轉(zhuǎn)，另外也要考慮平行向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這和固定翼無人機非常相似，有些機翼是平行翼，有些機翼是傾斜翼，這種傾斜翼會對飛行有特殊影響，這里我們通過對其進行優(yōu)化，在力上實現(xiàn)最優(yōu)效果。無論是從哪個方向旋轉(zhuǎn)，我們都要對其實現(xiàn)最好的調(diào)校，考慮到空氣動力學(xué)的影響，稍做調(diào)整就可以移動得更快。實際上這種上反角效應(yīng)即使是四旋翼無人機，可能在實際的飛行速度上都會有20%的誤差。

我們?yōu)槭裁匆褌鞲芯W(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在這些領(lǐng)域當(dāng)中，比如核廢物的分離，這樣人就不用自己去做了。美國能源部有一個廢物隔離實驗場，里面有很多核廢物，也有一個非常深的井，大概有600多米深，還有普利茅斯的氣體擴散場，把地下的污染氣體引出來。當(dāng)然，也有一些低密度的氣體，希望將這些氣體擴散限制在有限的范圍內(nèi)。這種擴散場大概有1英里的長度，但我們無法用一個無人機覆蓋所有的地方，因為可能要收集一些殘留物的樣本，之后只有將前期的工作做好才能正式拆除。

采訪精選：機器人行業(yè)技術(shù)發(fā)展及市場轉(zhuǎn)型

雷鋒網(wǎng)編輯在大會上采訪了Richard Voyles教授，就機器人技術(shù)發(fā)展及市場轉(zhuǎn)型關(guān)鍵問題，Richard Voyles給出了自己的見解。

您怎么看待機器人行業(yè)及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，以及對中國的影響？

Richard Voyles：機器人技術(shù)的發(fā)展，在過去是更加關(guān)注硬件方面、設(shè)備方面。現(xiàn)在，我們邁入一個嶄新的機器人技術(shù)的時代，以軟件和信息為驅(qū)動的機器人時代。這也將是新時代機器人技術(shù)的一大基礎(chǔ)，在這樣一個轉(zhuǎn)變當(dāng)中，中國和其他的國家也都受到相同的影響。

中國的機器人行業(yè)，包括中國大多數(shù)機器人公司，也正在進行這樣的一種轉(zhuǎn)型，從硬件到軟件和信息以及AI為中心的一個大的趨勢轉(zhuǎn)變，這也將會成為中國機器人行業(yè)發(fā)展的一個主流趨勢。

這樣一個轉(zhuǎn)變也使得企業(yè)之間的合作開始變的愈加緊迫，也促進了越來越多的企業(yè)之間的合作，從20世紀(jì)八九十年代，企業(yè)之間合作趨勢愈多，也幫助中國內(nèi)部實現(xiàn)了行業(yè)的范式轉(zhuǎn)移，這個轉(zhuǎn)移是從過去比較低層的，比如說教育，發(fā)展到更高層的生態(tài)系統(tǒng)。這也包括其他行業(yè)，例如軟件、信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，也在逐漸滲透。

通過這樣的一個軟件信息技術(shù)的逐漸滲透又反過來推動機器人學(xué)更進一步的發(fā)展，所以這是一個雙向反饋螺旋上升的過程。

在未來機器人發(fā)展中，它受軟件的影響較大還是受材料影響較大，未來機器人的發(fā)展是什么樣子的？

Richard Voyles：目前關(guān)于軟件對于機器人行業(yè)的影響確實也是大家經(jīng)?？吹降囊粋€話題，畢竟我們過去處于工業(yè)時代，但是我們的時代在不斷的演進，現(xiàn)在已逐漸進入信息時代，未來還要進入軟件時代。

在材料方面，我們也發(fā)現(xiàn)材料也變的越來越智能，我相信它們也將成為未來信息收集時代非常重要的一個有機組成部分，比如現(xiàn)在經(jīng)常熱論的多功能材料，或者我們也把它叫做機器人材料，這樣的材料可以實現(xiàn)自我的感知、思考和行動。那在生物系統(tǒng)當(dāng)中，比如：在人體當(dāng)中我們的信息和數(shù)據(jù)它實際上和我們的所謂材料和硬件沒有一個非常明確的界限，我們的大腦中神經(jīng)原在大腦還有全身的細胞中分布，他們都是可以收集信息的，我們通過這一感知所得到的這些信息，也是與我們的人體和各個組織是密切相連不能分開的，我們就把它稱作一個信息處理過程或者是軟件，總的來說在生物系統(tǒng)當(dāng)中，軟件和硬件之間的區(qū)分是比較模糊的。

在我看來，實際上人類能夠利用客觀存在的物理世界中的工具，也是人類最終能夠作為一個主流的物種繁衍壯大，最后統(tǒng)領(lǐng)整個地球的根本原因。信息的采集我相信在新的時代也將會起到越來越重要的作用。過去我們會非常重視硬件在機器人技術(shù)發(fā)展方面所起到的作用，這也是我們的技術(shù)競爭中經(jīng)常關(guān)注的一個要素，實際上我認為我們真正應(yīng)該最為重視的因素還是信息本身，而工具或之前提到一些硬件他們只能說是一種工具，幫助我們?nèi)ソ馕鲂畔ⅰ?/p>

舉一個例子，在我自己的實驗室當(dāng)中，我們有一臺最新款的3D打印機，我們利用這個3D打印機不僅去打印一些結(jié)構(gòu)物質(zhì)，也要讓它實現(xiàn)遙感計算，還有自動等方面的功能，我們希望硬件和軟件可以有機結(jié)合起來，這樣的有機結(jié)合，也將會成為未來3D打印機技術(shù)發(fā)展的主流。而傳統(tǒng)的3D打印機只重視硬件。

現(xiàn)在的消費類機器人的技術(shù)瓶頸在哪里？現(xiàn)在應(yīng)用型機器人都往消費型機器人轉(zhuǎn)移，您怎么看待這一個問題？

Richard Voyles：我們現(xiàn)正在進行轉(zhuǎn)型，而未來的方向就是人機界面。在機器人1.0時代，我們曾經(jīng)熱議的就是一個關(guān)燈工廠的概念，在這車間工廠當(dāng)中機器人負責(zé)所有的工作，人不在現(xiàn)場而只是負責(zé)運維。

在機器人1.0時代，實際上我們關(guān)注的這一些領(lǐng)域發(fā)展最好的就是在汽車總裝這樣比較小的領(lǐng)域。關(guān)燈工廠其實是只在汽車總裝等小的領(lǐng)域發(fā)展很好。大多數(shù)比如說汽車的零部件，它的制造本身也不是由機器人所執(zhí)行，所以它只是在非常小的市場當(dāng)中是比較活躍的。所以我認為我們要解決剛才所提到這樣一個技術(shù)瓶頸，最重要的是讓人去做他最擅長的事，讓機器也做它自己最擅長的事。

充分利用這兩者的優(yōu)勢進行互補，充分實現(xiàn)人機協(xié)作。我相信這樣才是最有利于未來機器人行業(yè)的發(fā)展的。