解讀無人機(jī)防身術(shù)：機(jī)器學(xué)習(xí)讓我戰(zhàn)勝擊劍高手

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上個(gè)月，一個(gè)斯坦福無人機(jī)躲避擊劍的視頻紅遍網(wǎng)絡(luò)，IEEE Spectrum當(dāng)時(shí)希望對(duì)其開發(fā)者Ross Allen進(jìn)行采訪。Ross說沒問題，只是我最近被博士論文答辯忙得焦頭爛額。如今Ross已經(jīng)成功晉升為Allen博士，并為我們解答了各種關(guān)于無人機(jī)和擊劍的問題。

如果你之前沒看，一定要點(diǎn)擊鏈接，看看這個(gè)視頻。擊劍是不是帥爆了？更帥氣的是，這是第一次我們?cè)谡嬲饬x上看到了無人機(jī)系統(tǒng)在障礙環(huán)境中進(jìn)行“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃”。Allen博士與斯坦福自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的同事Marco Pavone最近發(fā)表了該項(xiàng)目的論文。Allen博士用非常平白的語言解釋了這項(xiàng)聽起來很科幻的技術(shù)：

“我們可以想象一下一個(gè)迷宮，類似于你小時(shí)候可能玩過的那種，用筆在紙上畫的迷宮。走迷宮就是在解決一個(gè)基本的路徑規(guī)劃問題：在障礙環(huán)境中（迷宮的墻），為一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航（為你的筆尖），讓它到達(dá)一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)（迷宮的出口）。如果是3D迷宮，那么這個(gè)問題就變得更加復(fù)雜了。給你舉個(gè)例子：把鋼琴搬入一間擁擠的公寓里，當(dāng)心不能讓鋼琴撞到墻或家具給磕碰壞了。你可以事先規(guī)劃好一條搬運(yùn)路線，可能其中需要有轉(zhuǎn)彎、打橫等變化，最終可以將鋼琴搬進(jìn)房間里。

現(xiàn)在，我們?cè)侔堰@個(gè)問題搞得更復(fù)雜一點(diǎn)。再來想象一下，你現(xiàn)在得開車穿過市區(qū)。當(dāng)然，市區(qū)里有房子、汽車和行人。你必須以盡可能最短的路線到達(dá)目的地。這比搬運(yùn)鋼琴又多了些限制，因?yàn)槲覜]法把汽車打橫過來開車，而且我還必須按照車道和交通規(guī)則駕駛，例如，不能在大馬路上玩漂移。另外，開車的時(shí)候如果要停車，我得先踩剎車，車子停下來還得花一定時(shí)間。如果轉(zhuǎn)彎的時(shí)候開得太快，車子就會(huì)失控滑出去。這下你看明白了，穿過障礙環(huán)境到達(dá)目的地是個(gè)需要規(guī)劃的事情。現(xiàn)在，還有些額外的規(guī)矩限制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式。我們將這些規(guī)矩稱為“動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)”限制（其中有一些是運(yùn)動(dòng)學(xué)上的限制，例如轉(zhuǎn)彎；另外一些是動(dòng)態(tài)的限制，例如減速剎車。）當(dāng)我們面對(duì)這種問題的時(shí)候，我們就稱其為‘動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃問題’。

我們的研究是要開發(fā)一個(gè)框架來解決類似這樣的問題，可以大大降低操作機(jī)器人所需的計(jì)算量。我們?cè)谝粋€(gè)充滿障礙的室內(nèi)環(huán)境里，用一個(gè)四翼無人機(jī)系統(tǒng)展示了這個(gè)框架。可以說，這是第一個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)代表動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所做的實(shí)時(shí)規(guī)劃展示。

Ross Allen博士（左）與同事。圖片來源：斯坦福大學(xué)。

在網(wǎng)絡(luò)上受到廣泛關(guān)注的視頻，其實(shí)還沒有展示出我們研究的完整形態(tài)，不過那個(gè)視頻讓人一眼就看到了技術(shù)的可能性。這個(gè)視頻展示了更多技術(shù)能力，無人機(jī)想繞過一道墻，但是我又擋住了它的去路。它不停地重新計(jì)算路徑，最后計(jì)算出最佳路徑是從墻的另一側(cè)走，然后它就從我這兒飛走了。“

這個(gè)例子體現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃”在無人機(jī)上的應(yīng)用，但是，這項(xiàng)研究其實(shí)不只是針對(duì)無人機(jī)，該技術(shù)可以應(yīng)用在任何你想用的系統(tǒng)上。Allen博士說，船運(yùn)和物流基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域也可以從該技術(shù)獲益：

“你可以想象一個(gè)自動(dòng)化運(yùn)貨船，穿過一個(gè)繁忙的港口，停泊在自己的位置上，然后有一個(gè)自動(dòng)化吊車，將集裝箱安全地卸貨至自動(dòng)化卡車上，用于陸地運(yùn)輸。這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施中的每個(gè)步驟都面臨不同的路徑規(guī)劃問題（貨船需要避開其他船只，吊車吊著大大的集裝箱不能與碼頭上其他集裝箱磕碰，卡車得在繁忙的市區(qū)道路上駕駛），但是，每一個(gè)不同的問題都可以用同一個(gè)框架來解決。只要將框架根據(jù)具體應(yīng)用情景進(jìn)行定制設(shè)置（就好像我們針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)置）。“

當(dāng)然，你也可以用于送貨無人機(jī)和攝像無人機(jī)。Allen博士說：“我相信，送貨無人機(jī)是馬上可以進(jìn)行的應(yīng)用，這會(huì)對(duì)消費(fèi)者的購物行為有很大影響。運(yùn)貨無人機(jī)的控制和規(guī)劃只是眾多需要面臨的問題之一；其他問題還包括探測(cè)和政策。”這都是些大問題。但是在頂尖科研領(lǐng)域內(nèi)，聽見如此樂觀的態(tài)度還是非常新鮮。

Allen博士說，他之后會(huì)探索“自動(dòng)汽車、無人機(jī)、火箭等領(lǐng)域的工作機(jī)會(huì)或者研究職位“。我們猜他會(huì)去搞火箭。不過在研究領(lǐng)域也還有很多探索空間，例如，如果將一大堆無人機(jī)扔向空中，讓它們自己互相配合來規(guī)劃路線，而不需要?jiǎng)討B(tài)追蹤系統(tǒng)來指揮。

最后，IEEE的采訪向Allen博士提問說，網(wǎng)絡(luò)上無數(shù)不明真相的群眾都有一個(gè)問題，為什么這個(gè)斯坦福的博士要與無人機(jī)擊劍決斗，你想不想解釋一下：

“首先，我不是在打敗萬惡的終結(jié)者機(jī)器人。雖然我們?cè)谘芯恐惺褂脵C(jī)器學(xué)習(xí)，但是是為了完成些聽起來很無趣的日常任務(wù)，例如‘可接近性測(cè)試’。我們也沒有用機(jī)器學(xué)習(xí)來訓(xùn)練機(jī)器人戰(zhàn)士，搞個(gè)無人機(jī)搏擊俱樂部神馬的。如果不是我們給了它更加聰明的算法，我們的機(jī)器人沒法自己變聰明。換句話說，機(jī)器是自動(dòng)化的，但是還沒有學(xué)習(xí)如何自己變得更加自動(dòng)化。“

這下，你們安心了吧。

Via IEEE Spectrum

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