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這個3D渲染圖展示了Inria和CNRS的研究人員正在開發(fā)的，探索埃及吉薩大金字塔的機(jī)器人飛艇和管狀對接站。 上個月，由埃及開羅大學(xué)工程學(xué)院和法國HIP研究所的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的ScanPyramids項(xiàng)目宣布，他們使用了μ子成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)隱藏在胡夫金字塔深處的大空洞（因?yàn)樗悄敲创?，也被稱為吉薩大金字塔，）。沒有人知道里面是什么東西，或者里面什么都有，甚至也許這就是星際之門所藏的地方。很明顯，這里有很多關(guān)于可能隱藏或不隱藏的內(nèi)容的興趣，它可以幫助解決諸如，如何以及為什么金字塔建造的奧秘。 問題是，（可以理解）我們不會在大金字塔里開個大洞來看看發(fā)生了什么。在2002年，埃及學(xué)科家使用了一個定制的探索機(jī)器人（事實(shí)上，由iRobot制造）來探索一個由大門密封的大金字塔女王室內(nèi)的小窗戶。機(jī)器人并沒有試圖打開門，而是在這個過程中破壞了它，機(jī)器人鉆了一個大小足以穿過相機(jī)的小洞，試圖對碩果僅存的古代世界七大奇跡進(jìn)行最小程度的不可逆轉(zhuǎn)的破壞。他們發(fā)現(xiàn)的另一面是另一扇門，但問題是，如果我們想要探索金字塔，我們將不得不通過盡可能小的洞做到這一點(diǎn)。 法國研究機(jī)構(gòu)Inria和CNRS正在與ScanPyramids合作開發(fā)一種探測機(jī)器人，它可以通過一個小孔來擠壓進(jìn)入，同時一旦通過小孔，仍然可以最大限度地進(jìn)行探測。他們提出的概念是一個機(jī)器人飛艇，可以塞進(jìn)一個3.5厘米的洞，展開和膨脹自己，然后在放氣和再次撤離之前大面積探索。 這個系統(tǒng)由兩個機(jī)器人組成，兩個機(jī)器人都足夠小，可以穿過盡可能多的古代歷史遺跡鉆出的3.5厘米直徑的洞，盡可能不去破壞它。首先是配備了全向攝像頭的管狀機(jī)器人，先進(jìn)行測量，發(fā)回高分辨率圖像。 如果一切都看起來足夠安全和并可能會有激動人心的發(fā)現(xiàn)，相同的洞被用來插入一個折疊起來的微型機(jī)器人飛艇。一旦進(jìn)入，該軟式飛艇就會充滿氦氣，展開直徑達(dá)80厘米。然后用50克有效載荷的電機(jī)和傳感器（包括燈光，照相機(jī)和輔助導(dǎo)航系統(tǒng)）將其卸下并浮起。一旦完成任務(wù)，飛艇返回碼頭，放氣并重新折疊，然后直接從同一個洞里出來。 Inria和CNRS開發(fā)的管狀攝像機(jī)器人概念的3D渲染圖。它將通過一個小直徑的孔進(jìn)入，并打開它的外殼，讓一個全方位的攝像機(jī)來觀察結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。 使用折疊式飛行機(jī)器人進(jìn)行這種探索聽起來可能是不必要的復(fù)雜和危險的，但是為什么它比其他類型的帶有輪子，軌道，腿的地面機(jī)器人，或者帶有電機(jī)的無人機(jī)更好呢？第一，飛艇不必?fù)?dān)心樓梯，巖石，坡道（或陷阱）。你從一個飛艇得到一個更好的視角，你也可以更快地覆蓋更多的區(qū)域。與傳統(tǒng)的旋翼飛機(jī)相比，Blimps也可以無害地從障礙物上彈開，并且不太可能被撞毀，而且即使萬一撞毀了，你可以想象這個碰撞本質(zhì)上也是非常柔和的（不會對古跡造成破壞）。 有關(guān)這一切如何工作的更多細(xì)節(jié)，我們與Inria的高級研究員Jean-Baptiste Mouret博士進(jìn)行了交談。您可能還記得過去我們已經(jīng)介紹的Mouret的一些工作，關(guān)于如何使機(jī)器人能夠自動從肢體傷害中恢復(fù)過來，聽起來這些技能中的一部分也正在應(yīng)用到這個飛艇中。 IEEE Spectrum：3.5厘米的孔直徑是如何決定的？ 為什么不使用更大的孔讓事情變得更簡單？ Jean-Baptiste Mouret：這是一個妥協(xié)：一方面，我們要鉆一個盡可能小的洞，以盡量減少對建筑物的改變; 另一方面，它必須足夠大以適應(yīng)我們所需要的所有執(zhí)行器，傳感器和機(jī)構(gòu)。 除了留下更大的痕跡之外，一個大洞還可能影響建筑物的完整性（請記住，我們的目標(biāo)是建筑物可能有數(shù)千年的歷史），我們需要盡量減少崩潰的風(fēng)險。 當(dāng)然，我們也喜歡這個挑戰(zhàn)：如果鉆孔很大，就不需要新的設(shè)計(jì)，也沒有那么多創(chuàng)意的機(jī)會！ 將所有必要的硬件安裝到如此小的直徑中有哪些挑戰(zhàn)？ 除了小型化的常見技術(shù)挑戰(zhàn)之外，我們還需要加工或3D打印許多小零件，并且有很多移動部件 - 例如，我們管狀偵察機(jī)器人的當(dāng)前設(shè)計(jì)有超過140個滾珠軸承。 我們從我們的Ultimaker 2 3D打印機(jī)開始，因?yàn)樗葯C(jī)械加工更快，3D打印使我們能夠制作高度復(fù)雜的形狀。 但是，要獲得小部分是非常困難的。 我們最近買了一臺Form 2 3D打印機(jī)，這對于小型和復(fù)雜的部件來說是驚人的。 我們的原型現(xiàn)在好多了，我們可以每天多次打印新的零件。 我看到論文中說那個飛艇將具備“生物啟發(fā)傳感器和原則”，你能詳細(xì)說明嗎？ 由于氦氣囊體積限制，飛艇的吊艙重量不能超過50克。 有了這個質(zhì)量，我們就不能攜帶Kinect，激光雷達(dá)或類似的高清晰度傳感器。 做任何需要復(fù)雜計(jì)算的事情也很困難，因?yàn)檫@會顯著影響機(jī)動性。 而機(jī)器人將無法使用GPS，因?yàn)樗鼘⒃诮ㄖ飪?nèi)部。 因此，我們需要別的東西。 這就是為什么我們聯(lián)系馬賽的法國科學(xué)研究院（CNRS / Aix-MarseilleUniversité），它從蜜蜂和蒼蠅身上獲得靈感，為小型無人機(jī)開發(fā)了幾種非常輕便的傳感器。 更確切地說，我們感興趣的是兩個傳感器： ●微型光學(xué)流量傳感器，可在低光照條件下工作。 現(xiàn)在已經(jīng)確定，昆蟲具有對光流敏感的神經(jīng)元，也就是在觀察者和目標(biāo)場景之間的相對運(yùn)動會在視覺場景中的表面目標(biāo)角速度，表面和邊緣產(chǎn)生矢量場 。 這些視覺流感神經(jīng)元允許昆蟲在視覺上起飛，著陸和避開障礙（通常通過平衡左側(cè)和右側(cè)的光流），同時依靠少量的神經(jīng)元。 我們的飛行機(jī)器人使用相同的策略返回基地，如果它失去無線電信號鏈路，可以幫助操作者避開障礙物，能夠返回到其基地。 本質(zhì)上，我們將一個光學(xué)流量傳感器，一個磁力計(jì)和一個指向地面的距離傳感器相結(jié)合，以便機(jī)器人可以“重放”它的路徑。 ●我們也對同一個研究所開發(fā)的第二個微型傳感器HyperCube很感興趣，它可以做一個非常小的封裝（1厘米3 / 0.33克），主動標(biāo)記跟蹤（紅外閃爍發(fā)光二極管在飛艇上）。 該傳感器在昆蟲中使用“過度騷擾”的概念：能夠以比理論（靜態(tài)）分辨率更高的分辨率定位對比物體，其可以通過掃描傳感器的運(yùn)動（例如振動）來測量，或者像 HyperCube，具有高頻閃爍LED（> 1 kHz）。 我們需要這個傳感器，讓我們的微型飛艇精確降落在塢站上。 你能描述一下這個飛艇將如何對接，然后放氣并重新折疊自己？ 充氣膨脹和折疊是這個概念的兩個主要挑戰(zhàn)。 為了進(jìn)行對接，我們將依靠HyperCube傳感器精確地定位在平臺上。 對于膨脹/收縮/折疊，我們正在探索幾種方法，并且我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)我們會選擇哪種方法還為時尚早。 很明顯的是，我們不能把電子器件和飛艇囊體放在有一千年歷史的古跡里面。 我們真的需要一個可靠的回收技術(shù)。 上圖顯示了機(jī)器人飛艇將如何（a）通過一個3.5厘米的洞進(jìn)入古跡結(jié)構(gòu); （b）用氦充氣，然后從其管狀對接站上拆下; （c）外面的操作員要看探索古跡結(jié)構(gòu)的內(nèi)部; （d）返回對接管并放氣; （e）從古跡結(jié)構(gòu)中抽離出來。 Q：那是個很好的觀點(diǎn)。有了這樣一個小型的接入點(diǎn)和一個不受限制的飛行機(jī)器人，如果出現(xiàn)問題，你是否擔(dān)心會丟失機(jī)器人？ A：不幸的是，微型飛行機(jī)器人（飛艇或者四軸飛行器）不能攜帶系繩，因?yàn)檫@會導(dǎo)致重量過重（即使是輕型的導(dǎo)線），由于拖在地板上的導(dǎo)線（小型無人機(jī)不能載重太大）而增加摩擦力， ，當(dāng)我們想要做的比盤旋更多時，拖在地上的系纜會干擾飛行。 這就是為什么我們使用輕量級仿生傳感器來設(shè)計(jì)“虛擬系繩”的原因：機(jī)器人即使失去了無線電連接，也需要能夠自主地回來，并且需要多少具備自主對接的能力（這樣我們才能不要依賴專家駕駛技能）。 如果發(fā)生了非常糟糕的事情，例如我們失去了螺旋槳，那么我們將依靠我們的“智能試驗(yàn)和誤差”算法來搜索替代飛行控制器。該算法被設(shè)計(jì)為嵌入在輕量級硬件上（因?yàn)樵S多事情是預(yù)先計(jì)算的）并且不需要診斷（這對于幾乎沒有內(nèi)部傳感器的小型機(jī)器來說將是非常具有挑戰(zhàn)性的）。 Q：具有這些功能的機(jī)器人有哪些其他的潛在應(yīng)用？ 除了考古學(xué)之外，我們還和核工業(yè)的人們進(jìn)行過例行檢查或?yàn)?zāi)后評估。 而且我們還在探索其他領(lǐng)域：能夠通過一個很小的洞發(fā)送一個飛行機(jī)器人肯定可以在很多情況下使用。 Q：你認(rèn)為最初部署這個機(jī)器人最令人興奮或有價值的地方在哪里？ A：最令人興奮的地方顯然是大金字塔，在這個大金字塔中，ScanPyramids項(xiàng)目最近使用宇宙射線μ子探測器發(fā)現(xiàn)了至少三個的重要空洞：大畫廊上方的一個大空洞，北面走廊的開始，東北邊緣的空洞較小。我們最近加入了ScanPyramids團(tuán)隊(duì)，考慮這個項(xiàng)目所隱含的約束條件，并在有機(jī)會時做好準(zhǔn)備。然而，ScanPyramids團(tuán)隊(duì)首先需要修正空隙位置（使用更多μ測量），當(dāng)然，在做任何事情之前，我們都需要得到埃及當(dāng)局的授權(quán)。現(xiàn)在，把我們的機(jī)器人發(fā)送到大金字塔還是一個夢想：目前還沒有具體的計(jì)劃，我們可能會在其他地方部署機(jī)器人。 -------------------------------------------------- ------------------------------ 莫雷說，他們有一個很好的第一個機(jī)器人原型，管狀偵察員用燈和攝像頭做第一次調(diào)查。飛艇本身有點(diǎn)棘手，他們?nèi)匀辉谙到y(tǒng)研究如何充氣，部署，然后捕捉和重新折疊機(jī)器人飛艇。希望ScanPyramids能夠準(zhǔn)確地找到他們想要探索的地方，機(jī)器人就可以開始工作了。 從浮空器工程角度看，這個微型飛艇的氦氣存儲，自動充氣，自動放氣，自動疊放（特別是疊放，還需要把囊體里面的氣體抽干凈還可能疊好）都是不小的挑戰(zhàn)，預(yù)祝Inria和CNRS能夠取得突破性進(jìn)展，這些都有很強(qiáng)的實(shí)用性價值。 |
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