维杰·库马：善于合作的飞行机器人
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0:05 - 0:07早上好
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0:07 - 0:09我今天想谈谈
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0:09 - 0:12自主飞行沙滩球
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0:12 - 0:16其实，是小型飞行器，像这一个
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0:16 - 0:19我想和大家谈谈设计这些飞行器时的挑战
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0:19 - 0:21和使用这些飞行器能给我们带来的
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0:21 - 0:23很多用处
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0:23 - 0:25这些飞行器
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0:25 - 0:28源于无人驾驶的飞行器
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0:28 - 0:31但是那些都体积很大
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0:31 - 0:33通常上万磅重
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0:33 - 0:35毫无灵活型可言
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0:35 - 0:37它们也不是真的自主飞行的
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0:37 - 0:39事实上，很多这些飞行器
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0:39 - 0:41都是受飞行团队控制的
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0:41 - 0:44包括好几个飞行员
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0:44 - 0:46感应雷达操作员
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0:46 - 0:48和团队协调员
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0:48 - 0:50我们想设计的飞行器是这样的——
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0:50 - 0:52这里有两张照片——
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0:52 - 0:55是你能够在超市里买到的那种小飞行器
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0:55 - 0:58小型直升机，四个螺旋桨
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0:58 - 1:02不超过一米长
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1:02 - 1:04只不过几磅重
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1:04 - 1:07我们把它们稍微改造一下，加上感应器和处理器，
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1:07 - 1:09它们就可以在室内飞
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1:09 - 1:11用不着导航系统
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1:11 - 1:13我现在拿着的这个飞行器
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1:13 - 1:15是其中之一
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1:15 - 1:18是两个学生做出来的
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1:18 - 1:20艾利克斯和丹尼尔
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1:20 - 1:22这个仅仅比零点一磅
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1:22 - 1:24稍微重一点
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1:24 - 1:26只需要大约十五瓦的电源
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1:26 - 1:28你能看到
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1:28 - 1:30它的直径大约只有八个英寸
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1:30 - 1:33让我给你们快速解释一下
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1:33 - 1:35这些飞行器是怎么工作的
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1:35 - 1:37它有四个螺旋桨
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1:37 - 1:39当四个螺旋桨转速相同
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1:39 - 1:41这个飞行器就浮在空中
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1:41 - 1:44当所有螺旋桨的速度提升时
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1:44 - 1:47这个飞行器就加速升高
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1:47 - 1:49当然了，如果飞行器已经是倾斜的
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1:49 - 1:51向着地平线侧过来
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1:51 - 1:54就会向这个方向加速
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1:54 - 1:57怎么能让它侧过来呢，有两个途径
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1:57 - 1:59从这张照片
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1:59 - 2:01你能看到四号螺旋桨旋转加速
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2:01 - 2:03同时二号螺旋桨转速变慢
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2:03 - 2:05这时
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2:05 - 2:08飞行器就能向一边倒
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2:08 - 2:10反之亦然
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2:10 - 2:13当三号螺旋桨加速
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2:13 - 2:15一号减速时
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2:15 - 2:18飞行器就向前倒
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2:18 - 2:20最后
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2:20 - 2:22如果任意两端的螺旋桨的转速
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2:22 - 2:24大于另两端的螺旋桨的转速
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2:24 - 2:26飞行器就能原地旋转
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2:26 - 2:28所以装在飞行器上的处理器
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2:28 - 2:31基本上能判断需要执行哪些动作
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2:31 - 2:33然后把它们组合起来
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2:33 - 2:36决定给螺旋桨下什么指令
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2:36 - 2:38一秒钟六百次
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2:38 - 2:40简单地说这些飞行器就是这么工作的
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2:40 - 2:42这个设计的一个好处
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2:42 - 2:44就是小巧
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2:44 - 2:47这些飞行器很灵活
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2:47 - 2:49这里的R
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2:49 - 2:51是飞行器的长度
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2:51 - 2:54其实是半径
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2:54 - 2:57当半径变小时
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2:57 - 2:59很多物理参数都会变
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2:59 - 3:01最重要的一个参数是
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3:01 - 3:03惯性， 也就是对于运动的阻力
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3:03 - 3:05结果是
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3:05 - 3:08惯性决定角速度
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3:08 - 3:11它是半径的五次方函数
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3:11 - 3:13当半径变得越来越小时
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3:13 - 3:16惯性越来越快地减小
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3:16 - 3:19另一个结果是角速度的加速度
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3:19 - 3:21也就是这里的希腊字母alpha
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3:21 - 3:23等于一除以半径
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3:23 - 3:25也就是半径的倒数
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3:25 - 3:28当半径越小时飞行器能转弯越快
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3:28 - 3:30这个视频清楚地显示
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3:30 - 3:33大家看右下角的飞行器
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3:33 - 3:35正在做一个三百六十度翻转
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3:35 - 3:37只需要不到半秒
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3:37 - 3:40连续翻转，稍微时间长一点
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3:40 - 3:42这里飞行器上用的处理器
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3:42 - 3:44能够从飞行器上的加速度计
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3:44 - 3:46和陀螺仪得到反馈信息
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3:46 - 3:48然后算出，就像我刚才讲的
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3:48 - 3:50一秒钟六百个指令
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3:50 - 3:52来稳定控制这个飞行器
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3:52 - 3:55在左边你能看到丹尼尔把飞行器抛到空中
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3:55 - 3:57你能看到飞行器的控制有多快
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3:57 - 3:59不管你怎么扔
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3:59 - 4:03飞行器都能恢复平衡飞回来
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4:03 - 4:05为什么我们要设计这种飞行器呢？
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4:05 - 4:08因为这样的飞行器有很多用处
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4:08 - 4:11你能把它们放进像这样的大楼里
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4:11 - 4:14作为报警器去寻找入侵者
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4:14 - 4:17寻找生化泄漏
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4:17 - 4:19或者煤气泄漏
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4:19 - 4:21你还能用它们
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4:21 - 4:23建摩天大楼呢
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4:23 - 4:27这里是飞行器在搬梁运柱
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4:27 - 4:30架构一个立方体的建筑
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4:30 - 4:33这里我想和大家介绍一下
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4:33 - 4:36这些机器人能被用来运货
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4:36 - 4:39当然一个问题是这些小飞行器
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4:39 - 4:41担不了多少重量
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4:41 - 4:43你可能需要很多飞行器
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4:43 - 4:45来搬运重物
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4:45 - 4:47我们新做了个实验——
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4:47 - 4:49其实不那么新了——
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4:49 - 4:52在日本仙台，地震后不久
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4:52 - 4:55我们能把这些飞行器
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4:55 - 4:57送进倒塌的楼房
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4:57 - 5:00或者核反应堆大楼
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5:00 - 5:03来探测放射性强度
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5:04 - 5:06一个根本的问题
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5:06 - 5:09是当这些飞行器需要自控飞行，
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5:09 - 5:11它们自己得弄明白
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5:11 - 5:13怎么从一个地点到另一个地点
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5:13 - 5:15这就变得有点难度了
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5:15 - 5:18因为这些飞行器的动力学是很复杂的
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5:18 - 5:20事实上它们总在对付十二维的空间
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5:20 - 5:22这里我们用了一点小技巧
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5:22 - 5:25我们拿这个十二位的空间
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5:25 - 5:27把它们转换成
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5:27 - 5:29平的四维空间
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5:29 - 5:31这个四维空间
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5:31 - 5:34包括了横轴，纵轴和竖轴，还有旋转轴
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5:34 - 5:36这些飞行器只需要
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5:36 - 5:40计划一件事，我们管它叫最小化加加加速度轨道
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5:40 - 5:42提醒大家一点点物理学
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5:42 - 5:44这里我们有位置向量，导数，速度
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5:44 - 5:46和加速度
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5:46 - 5:48还有加加速度
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5:48 - 5:50还有加加加速度
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5:50 - 5:53这个飞行器把加加加速度最小化
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5:53 - 5:55基本上它的工作是
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5:55 - 5:57创造一个光滑优雅的运动曲线
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5:57 - 6:00这样来绕开障碍物
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6:00 - 6:03所以这个四维平面中，这个飞行器使用
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6:03 - 6:05最小化加加加速度轨道， 然后转换回到
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6:05 - 6:07复杂的十二维空间
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6:07 - 6:09飞行器必须这样做来
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6:09 - 6:11获得控制和执行动作
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6:11 - 6:13让我给大家看几个例子
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6:13 - 6:15这些最小化加加加速度轨道是什么样的
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6:15 - 6:17这是第一个视频
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6:17 - 6:19这个飞行器从一个地点飞到另一个地点
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6:19 - 6:21中间经停一下
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6:27 - 6:29显然这个飞行器能
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6:29 - 6:31飞出一个曲线轨道
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6:31 - 6:33还有这样的打圈的轨道
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6:33 - 6:36这里飞行器对抗两倍的重力
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6:37 - 6:41它们上方还有一个动感监控摄像机，每秒一百幅画面
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6:41 - 6:44来告诉这些飞行器它们的位置
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6:44 - 6:47也能告诉这些飞行器障碍物在哪里
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6:47 - 6:49障碍物移动都不要紧
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6:49 - 6:52当丹尼尔把套圈扔到空中
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6:52 - 6:54飞行器就开始计算套圈的位置
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6:54 - 6:58试图预测怎么才能最有效地钻过去
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6:58 - 7:00作为一个科研人员
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7:00 - 7:03我们总在试图钻出重重圈套，拿到更多经费
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7:03 - 7:06甚至训练了我们的飞行器也来做这个
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7:06 - 7:12（掌声）
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7:12 - 7:14另一个飞行器能做的事情
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7:14 - 7:17是当我们预先编入一些轨迹
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7:17 - 7:19或者它自己学着走过的，它能够记住
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7:19 - 7:21这里大家能看到
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7:21 - 7:23飞行器能够（在预设轨迹上）加上一个动作
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7:23 - 7:25积聚动量
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7:25 - 7:28改变它的定向，再回到预设轨迹上来
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7:28 - 7:31它必须这样做因为这个窗上的缝隙
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7:31 - 7:35只比它的宽度大一点点
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7:35 - 7:38所以就像是一个跳水运动员
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7:38 - 7:40从跳板上起跳，聚集动量，
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7:40 - 7:43做个旋转，两圈半
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7:43 - 7:45然后优雅地回到平衡
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7:45 - 7:47这个飞行器是自主这样做的
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7:47 - 7:50它知道怎么把小段的轨迹组合起来
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7:50 - 7:54来做这些高难度的技巧
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7:54 - 7:56现在我想换个话题谈谈这些小型飞行器
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7:56 - 7:59的不足之处，就是体积小
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7:59 - 8:01我已经提过
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8:01 - 8:03我们需要使用很多飞行器
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8:03 - 8:06来克服体积小的不便
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8:06 - 8:08一个难点是
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8:08 - 8:11怎么使得这些飞行器集体飞行？
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8:11 - 8:13我们在大自然中寻找答案
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8:13 - 8:15我想给大家看一个视频
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8:15 - 8:17是关于Aphaenogaster沙漠蚁的
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8:17 - 8:20在史狄文·普热特教授的实验室里，这些蚂蚁一起搬运重物
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8:20 - 8:22这是一个无花果
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8:22 - 8:24事实上无论什么东西，只要蘸上无花果汁
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8:24 - 8:27这些蚂蚁都会把它们带回巢去
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8:27 - 8:30这些蚂蚁没有任何中央调控
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8:30 - 8:32它们是靠感应邻近的蚂蚁
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8:32 - 8:34它们也没有明确的交流
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8:34 - 8:36但是因为它们能够感应邻近的蚂蚁
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8:36 - 8:38也能感应抬着的重物
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8:38 - 8:41整群的蚂蚁有默契
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8:41 - 8:43这样的协调
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8:43 - 8:46正是飞行器需要的
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8:46 - 8:48当一个飞行器
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8:48 - 8:50被其他飞行器环绕时——
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8:50 - 8:52让我们注意 I 和 J 这两个——
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8:52 - 8:54当它们成群飞行时
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8:54 - 8:57我们希望这两个飞行器
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8:57 - 8:59能够监控它们之间的距离
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8:59 - 9:01我们需要确定
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9:01 - 9:03这个距离是在可接受的范围里的
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9:03 - 9:06飞行器要检测这个变化
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9:06 - 9:08在控制指令中计算进去
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9:08 - 9:10也是每秒一百次
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9:10 - 9:13这个控制指令每秒会被送到马达六百次
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9:13 - 9:15所以这个程序
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9:15 - 9:17是分散化执行的
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9:17 - 9:19再有，如果你有很多很多飞行器
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9:19 - 9:23要完成集体飞行任务，能足够快地集中协调所有这些信息
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9:23 - 9:26是几乎不可能的
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9:26 - 9:28加上这些飞行器只能
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9:28 - 9:30依靠局部的信息来决定做什么动作
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9:30 - 9:32也就是要靠感应邻近的飞行器
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9:32 - 9:34最后
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9:34 - 9:36我们希望这些机器人
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9:36 - 9:38不知道它们的邻居是谁
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9:38 - 9:41也就是匿名飞行
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9:41 - 9:43下一个我想给大家展示的
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9:43 - 9:45是这段视频
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9:45 - 9:48这二十个小型飞行器
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9:48 - 9:50成群飞行
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9:50 - 9:53它们在监测邻居的位置
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9:53 - 9:55维持群队
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9:55 - 9:57群队的形状还能变
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9:57 - 9:59它们可以在一个平面上飞
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9:59 - 10:01也可以上中下地飞
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10:01 - 10:03大家可以看到
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10:03 - 10:06它们能从上中下的群队变成平面的
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10:06 - 10:08在飞越障碍物的时候
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10:08 - 10:12它们能边飞边变换队形
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10:12 - 10:15我想强调，这些飞行器距离都很近
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10:15 - 10:17比如这个群队，八架飞行器
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10:17 - 10:19相互距离不过几英寸
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10:19 - 10:22尽管在空气动力学上
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10:22 - 10:24这些螺旋桨相互干扰
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10:24 - 10:26它们还是能够维持平稳飞行
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10:26 - 10:33（掌声）
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10:33 - 10:35现在它们会成群飞了
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10:35 - 10:37它们就可以合作抬重物
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10:37 - 10:39这里展示的是
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10:39 - 10:42我们能够把飞行器的能力
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10:42 - 10:44翻倍，翻三倍，四倍
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10:44 - 10:46仅仅通过让它们和邻居合作，大家可以看到
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10:46 - 10:49这样做的一个不便之处
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10:49 - 10:51就是当加大数量时——
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10:51 - 10:53比如使用很多飞行器来抬一个物体
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10:53 - 10:56你其实是加大了惯性
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10:56 - 10:59这样它们就不够灵活了，这是一个代价
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10:59 - 11:02但是你可以增加载荷承载量
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11:02 - 11:04另一个我想给大家展示的用处是——
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11:04 - 11:06这是在我们实验室
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11:06 - 11:08这是研究生昆汀·林夕的工作
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11:08 - 11:11他的算法程序告诉这些飞行器
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11:11 - 11:13怎么使用桁架结构
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11:13 - 11:15自动建造
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11:15 - 11:18一个立方体
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11:18 - 11:20他的算法程序告诉这些机器人
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11:20 - 11:22该用哪一块
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11:22 - 11:24什么时候用，用在哪里
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11:24 - 11:26从这个视频我们可以看到——
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11:26 - 11:28这个视频是十倍或者十四倍速度播放的——
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11:28 - 11:31大家可以看到飞行器在搭建很不一样的构架
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11:31 - 11:33并且，所有的运动都是自主的
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11:33 - 11:35昆汀仅仅是
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11:35 - 11:37给它们一个蓝图
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11:37 - 11:41也就是他想建的设计
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11:41 - 11:44所有这里展示的实验
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11:44 - 11:46所有这些演习
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11:46 - 11:49都是靠着它们自己的动感检测摄像机完成的
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11:49 - 11:51那么，当它们离开实验室
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11:51 - 11:54来到真实世界的时候，又怎么样呢？
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11:54 - 11:57没有卫星导航会怎么样？
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11:57 - 11:59这个飞行器
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11:59 - 12:01其实装有一个摄像机
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12:01 - 12:04和一个激光测距仪，一个激光扫描仪
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12:04 - 12:06它可以使用这些探测装置
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12:06 - 12:08来描绘周围的环境的地图
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12:08 - 12:11这个地图包括很多细节——
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12:11 - 12:13玄关，窗户
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12:13 - 12:15人，家具——
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12:15 - 12:17还能弄清楚相对于这些东西
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12:17 - 12:19它自己在哪里
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12:19 - 12:21所以这里没有整体的协调系统
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12:21 - 12:24这个协调系统是靠飞行器自己来完成的
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12:24 - 12:27它自己在哪里，前面有什么
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12:27 - 12:30还能利用周围环境为自己找到出路
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12:30 - 12:32这里我想给大家再看一段视频
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12:32 - 12:34这个算法程序是法兰克·沈
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12:34 - 12:36和南希·麦克教授编的
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12:36 - 12:40当这个飞行器第一次飞入一个建筑
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12:40 - 12:43它是怎么边飞边画地图的
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12:43 - 12:46这个飞行器弄明白了这些细节
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12:46 - 12:48开始画地图
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12:48 - 12:50弄明白了相对这些细节，自己在哪里，
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12:50 - 12:52然后自我定位
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12:52 - 12:54全以每秒一百次的速度发生
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12:54 - 12:56这就给我们一个机会来控制这些算法
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12:56 - 12:58像我之前讲过的
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12:58 - 13:00所以这个机器人其实是
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13:00 - 13:02被法兰克遥控的
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13:02 - 13:04但是它自己也可以弄明白
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13:04 - 13:06怎么飞
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13:06 - 13:08假设我想放一个这样的飞行器进一幢楼
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13:08 - 13:10我并不知道里面是什么样的
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13:10 - 13:12我可以让它飞进去
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13:12 - 13:14创造一个地图
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13:14 - 13:17然后飞回来告诉我里面是什么样的
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13:17 - 13:20所以，这个飞行器不仅仅解决了
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13:20 - 13:23怎么从一点到另一点的问题
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13:23 - 13:25还能够随时知道
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13:25 - 13:27最好的目标在哪里
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13:27 - 13:30基本上，它知道该去搜索哪里
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13:30 - 13:32因为那里的信息是最“未知”的
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13:32 - 13:35这就是它怎么填充这个地图
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13:35 - 13:37这里我想展示给大家
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13:37 - 13:39最后一个用途
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13:39 - 13:42当然这个技术有很多很多用途
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13:42 - 13:44我是个教授，我们很关心教育
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13:44 - 13:46这样的飞行器其实可以改变
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13:46 - 13:48我们的小学和中学教育
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13:48 - 13:50我们在南加州
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13:50 - 13:52离洛杉矶很近
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13:52 - 13:54所以我不得不
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13:54 - 13:56放点娱乐元素进去
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13:56 - 13:58我想给大家看一个音乐视频
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13:58 - 14:01我想向你们介绍艾利克斯和丹尼尔，
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14:01 - 14:03他们是导演兼制作
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14:03 - 14:10（掌声）
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14:10 - 14:12在我播放这个视频前
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14:12 - 14:15我想告诉大家这是他们在过去三天做出来的
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14:15 - 14:17因为主持人克瑞斯给我打了个电话
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14:17 - 14:19在这个视频中表演的飞行器
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14:19 - 14:21全是靠自控表演的
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14:21 - 14:24你能看到九个机器人，演奏六种不同乐器
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14:24 - 14:28当然了，这是为了今年的TED2012特别制作的
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14:28 - 14:31请欣赏
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15:04 - 15:14（音乐）
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16:08 - 16:25（掌声）
- Title:
- 维杰·库马：善于合作的飞行机器人
- Speaker:
- Vijay Kumar
- Description:
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在宾夕法尼亚的实验室里，维杰·库马和他的团队造出了超小的旋翼飞行器。 这些灵活的机器人能够群组飞行，能感应同伴，从事特别行动——建筑工地，紧急救援等等
- Video Language:
- English
- Team:
closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 16:26
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Xiaoqiao Xie added a translation |