「蝙蝠」無人機聽音辨位，廉價麥克風和蜂鳴器就可搞定

像蝙蝠一樣的無人機，你見過嗎？現在，它已被做出來了。

長這樣：

這和蝙蝠有什麼關係？事實上，該無人機原理來自蝙蝠，即：在黑暗中靠回音定位進行飛行。

據研究者介紹，他們只靠廉價音訊設備，就完成了無人機的即時定位與地圖構建。

因其體積小，所用材料廉價，在陌生環境探索、搜索救援迷路者等領域，有廣泛應用。

目前，該成果剛被IEEE Robotics and Automation Letters收錄。

Reddit上，相關文章點讚破千。

有網友調侃道——這專案絕對是蝙蝠俠本人布魯斯韋恩做的。

也有網友擔憂——

此類低成本、易實現的產品也可用來追捕人類，造成更多傷害。

它到底如何運作的？

實現無人機「聽音辨位」

在過去，傳統無人機執行障礙物檢測、定位和地圖構建等任務中，所使用的往往是攝影鏡頭、光學雷達等感測器——

但是，這些設備對於更小體積的無人機來說，根本裝不進去也太重。

這次，研究團隊參考了蝙蝠發出超音波並根據回音定位的方式，依靠聲音的發射與接收，實現對空間的感知。更簡單的說，讓無人機「喊出來」，再根據「回音」來辨別周邊環境狀況。

資料處理方面，鑒於目前主動回音定位演算法並不發達，團隊依靠一套基於干涉回音定位演算法的端到端的pipeline。

其中包含了一個即時定位與地圖構建框架，並整合了粒子濾波和因數圖推斷。

具體如下圖。

不同顏色描繪兩個麥克風在不同位置接收的音波，這些訊號透過校準、週期估計、粒子濾波得到因數圖，再進行相應方位和角度的估計。

為了完成上述的想法，研究團隊將四個麥克風和蜂鳴器安裝在一種易於開發的小型無人機Crazyflie上面。

透過無人機收集資料，然後，靠藍牙傳輸到地面端設備，再進行相應的處理。如此一來，分析過程可小於75ms。

該過程如下圖：

到了實驗環節，研究者先讓無人機逐漸靠近牆壁，該過程保持高度不變，獲得各距離下，音波干涉情況，並將之與理論估計值對比。

結果顯示兩者較為貼合。

而後，他們對性能（精度）進行了測量。

結果發現——當無人機距離牆面40cm以內，其測量值可靠，其最大誤差在2cm以下。

當距離進一步縮小到30cm，角度估計數值也變得更可靠，最大誤差小於20度。

更進一步，研究團隊將麥克風數量改變，測試其表現。

結果發現，隨著麥克風數量變少，無人機偵測性能在下降，但有意思的是，即便只有一個麥克風（下方深色線），其性能表現還是相當不錯。

至於無人機在運動過程中，辨識障礙精度如何？

研究團隊也進行了實驗。

如下方左圖，即便在運動過程中，無人機距牆體8釐米時，也能表現出不錯精度。

不過在角度測定上表現平平（下方右圖），團隊認為，他們的演算法在角度估計方面對雜訊更為敏感。

儘管目前，該方案只能在半公尺遠地方，進行2cm精度的偵測，對比成熟方案仍有差距，但從落地角度看，其成本低、重量輕，體積小特點意味著，該成果在很多場景仍是可靠的替代方案。

科研團隊表示，接下來，他們還將提高其準確性，並看看能否消除系統產生聲音的需要，不用「喊出聲」。

最後，介紹上述科研成果的貢獻者們。

一作Frederike Dümbgen，她是一位機器人領域研究者，專注於訊號處理與最佳化方向。

Frederike Dümbgen博士畢業於洛桑聯邦理工學院電腦與通訊科學學院，目前是多倫多大學自主空間機器人實驗室 (ASRL) 的博士後。

第二作者Adrien Hoffet，來自洛桑聯邦理工學院電腦與通訊科學學院。

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