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解读无人机躲闪术：机器学习让我战胜击剑高手

上个月 ， 一个斯坦福无人机躲避击剑的视频红遍网络 ， IEEE Spectrum当时希望对其开发者Ross Allen进行采访 。Ross说没问题 ， 只是我最近被博士论文答辩忙得焦头烂额 。如今Ross已经成功晋升为Allen博士 ， 并为我们解答了各种关于无人机和击剑的问题 。
如果你之前没看 ， 一定要点击链接 ， 看看这个视频 。击剑是不是帅爆了？更帅气的是 ， 这是第一次我们在真正意义上看到了无人机系统在障碍环境中进行“实时动态运动路径规划” 。Allen博士与斯坦福自动化系统实验室的同事Marco Pavone最近发表了该项目的论文 。Allen博士用非常平白的语言解释了这项听起来很科幻的技术：
“我们可以想象一下一个迷宫 ， 类似于你小时候可能玩过的那种 ， 用笔在纸上画的迷宫 。走迷宫就是在解决一个基本的路径规划问题：在障碍环境中（迷宫的墙） ， 为一个点进行导航（为你的笔尖） ， 让它到达一个目标点（迷宫的出口） 。如果是3D迷宫 ， 那么这个问题就变得更加复杂了 。给你举个例子：把钢琴搬入一间拥挤的公寓里 ， 当心不能让钢琴撞到墙或家具给磕碰坏了 。你可以事先规划好一条搬运路线 ， 可能其中需要有转弯、打横等变化 ， 最终可以将钢琴搬进房间里 。
现在 ， 我们再把这个问题搞得更复杂一点 。再来想象一下 ， 你现在得开车穿过市区 。当然 ， 市区里有房子、汽车和行人 。你必须以尽可能最短的路线到达目的地 。这比搬运钢琴又多了些限制 ， 因为我没法把汽车打横过来开车 ， 而且我还必须按照车道和交通规则驾驶 ， 例如 ， 不能在大马路上玩漂移 。另外 ， 开车的时候如果要停车 ， 我得先踩刹车 ， 车子停下来还得花一定时间 。如果转弯的时候开得太快 ， 车子就会失控滑出去 。这下你看明白了 ， 穿过障碍环境到达目的地是个需要规划的事情 。现在 ， 还有些额外的规矩限制机器人的运动方式 。我们将这些规矩称为“动态运动”限制（其中有一些是运动学上的限制 ， 例如转弯；另外一些是动态的限制 ， 例如减速刹车 。）当我们面对这种问题的时候 ， 我们就称其为‘动态运动路径规划问题’ 。
我们的研究是要开发一个框架来解决类似这样的问题 ， 可以大大降低操作机器人所需的计算量 。我们在一个充满障碍的室内环境里 ， 用一个四翼无人机系统展示了这个框架 。可以说 ， 这是第一个无人机系统代表动态运动系统所做的实时规划展示 。
Ross Allen博士（左）与同事 。图片来源：斯坦福大学 。
在网络上受到广泛关注的视频 ， 其实还没有展示出我们研究的完整形态 ， 不过那个视频让人一眼就看到了技术的可能性 。这个视频展示了更多技术能力 ， 无人机想绕过一道墙 ， 但是我又挡住了它的去路 。它不停地重新计算路径 ， 最后计算出最佳路径是从墙的另一侧走 ， 然后它就从我这儿飞走了 。“
这个例子体现了“动态运动路径规划”在无人机上的应用 ， 但是 ， 这项研究其实不只是针对无人机 ， 该技术可以应用在任何你想用的系统上 。Allen博士说 ， 船运和物流基础设施等领域也可以从该技术获益：
“你可以想象一个自动化运货船 ， 穿过一个繁忙的港口 ， 停泊在自己的位置上 ， 然后有一个自动化吊车 ， 将集装箱安全地卸货至自动化卡车上 ， 用于陆地运输 。这个基础设施中的每个步骤都面临不同的路径规划问题（货船需要避开其他船只 ， 吊车吊着大大的集装箱不能与码头上其他集装箱磕碰 ， 卡车得在繁忙的市区道路上驾驶） ， 但是 ， 每一个不同的问题都可以用同一个框架来解决 。只要将框架根据具体应用情景进行定制设置（就好像我们针对无人机系统进行了设置） 。“
当然 ， 你也可以用于送货无人机和摄像无人机 。Allen博士说：“我相信 ， 送货无人机是马上可以进行的应用 ， 这会对消费者的购物行为有很大影响 。运货无人机的控制和规划只是众多需要面临的问题之一；其他问题还包括探测和政策 。”这都是些大问题 。但是在顶尖科研领域内 ， 听见如此乐观的态度还是非常新鲜 。
Allen博士说 ， 他之后会探索“自动汽车、无人机、火箭等领域的工作机会或者研究职位“ 。我们猜他会去搞火箭 。不过在研究领域也还有很多探索空间 ， 例如 ， 如果将一大堆无人机扔向空中 ， 让它们自己互相配合来规划路线 ， 而不需要动态追踪系统来指挥 。
最后 ， IEEE的采访向Allen博士提问说 ， 网络上无数不明真相的群众都有一个问题 ， 为什么这个斯坦福的博士要与无人机击剑决斗 ， 你想不想解释一下：
“首先 ， 我不是在打败万恶的终结者机器人 。虽然我们在研究中使用机器学习 ， 但是是为了完成些听起来很无趣的日常任务 ， 例如‘可接近性测试’ 。我们也没有用机器学习来训练机器人战士 ， 搞个无人机搏击俱乐部神马的 。如果不是我们给了它更加聪明的算法 ， 我们的机器人没法自己变聪明 。换句话说 ， 机器是自动化的 ， 但是还没有学习如何自己变得更加自动化 。“
【解读无人机躲闪术：机器学习让我战胜击剑高手】这下 ， 你们安心了吧 。

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