猫头鹰启发的飞行机器人避障系统

在开发机器人系统和计算工具时，计算机科学家经常从动物或其他生物系统中汲取灵感。实际上，根据系统的独特特征和目的，自然通常会提供一些具体示例，说明如何快速有效地实现其目标。

上海交通大学的研究人员最近开发了一种新的，基于生物视觉和计算机视觉的避障系统，该系统可以改善在动态环境中运行的飞行机器人的导航。该系统在arXiv上预先发表的一篇论文中提出，其灵感来自于猫头鹰如何发现并避开周围物体或其他动物。

研究人员写道：“尽管猫头鹰无法向任何方向移动眼睛(类似于立体相机)，但它们的颈部却非常灵活，可以旋转至270度，这使它们能够在不移动躯干的情况下甚至在后面迅速观察，”研究人员写道。在他们的论文中。

为了复制猫头鹰沿不同方向移动眼睛并检测周围静止和移动物体的方式，研究人员在四旋翼飞行器(即具有四个旋翼的无人飞行机器人)上安装了伺服电机和立体摄像机。在设计中，伺服电机充当颈部，而立体摄像机充当头部。由于立体摄像机的重量轻，它的移动速度可以比机器人的身体快得多，并且其运动几乎不会影响机器人的运动质量或飞行方向。

该系统使用传感器计划算法来估计机器人将从不同方向上的感测对象中受益多少，并计划其“头部”(即立体摄像机)应相应旋转的角度。因此，四旋翼飞机连续不断地主动感知周围环境，从而迅速识别出阻碍其前进的障碍。

研究人员开发的主动感知和避免(ASAA)系统的概述。图片来源：Chen等。

另外，该系统跟踪并预测在其附近的移动障碍物的轨迹，使它的运动适应周围环境的变化。最后，基于立体摄像机收集的数据，系统使用基于采样的路径规划器来规划无碰撞的路径，概述允许机器人到达特定位置或完成任务而不会与其他机器人发生碰撞的运动物品并被损坏。

研究人员在论文中解释说：“总的来说，该系统被称为主动感知与回避(ASAA)系统。” “据我们所知，这是第一个将主动立体视觉应用于飞行机器人避障的系统。”

上海交通大学的研究人员通过在真实环境中进行的一系列实验评估了他们的ASAAA系统。在这些实验中，四旋翼飞机要么必须到达期望的位置，以避免其途中的所有障碍，要么必须监视并捕获一只人造老鼠。这些测试的结果非常有希望，因为该机器人在两项任务上均表现出色，可以快速适应环境的突然变化，并避免与静态障碍物和移动障碍物发生碰撞。

而且，研究人员制造的原型使用了一个立体声相机。因此，它相对便宜。这可以使得更易于大规模制造和实施。

将来，该系统可用于在广泛的环境中执行任务，从市区到野生生物大量居住的自然环境。该系统还可以基于类似的设计，通过增强的避障功能来激发其他飞行机器人的开发。在他们的下一个研究中，研究人员将尝试创建可复制其他动物行为的系统，同时还使用强化学习技术进一步改善其系统的感知性能。