你能用篮球砸中3米外悬停的无人机吗？很多人或许觉得这并非难事，但今天介绍的这台无人机可能会颠覆你的自信——它能在你抛出球的瞬间，灵活而迅速地完成躲避。

瑞士苏黎世大学的一支研究团队，近期设计出一套创新方法，让无人机能够在主动闪避移动障碍物的同时，保持快速导航。这项成果的重要意义在于，它推动无人机在恶劣环境中更快飞行，并能更高效地在更短时间内完成更多任务。

图 | 成功躲避球的无人机（来源：Da vide Scaramuzza）

先介绍背景。虽然市面上的无人机已能胜任多种任务，但躲避障碍物并非其强项，尤其在高速移动状态下。许多飞行机器人虽配备摄像头用于检测障碍，但从图像处理到作出反应通常需要20至40毫秒。这个时间看似短暂，但当无人机高速飞行时，20到40毫秒的反应窗口根本不足以避开飞鸟、另一架无人机，甚至静态障碍物。尤其是在不可预测的环境中飞行，或多架无人机在同一空域协同作业时，问题会变得更为棘手。

苏黎世大学的研究人员将一种类似运动传感器的“事件摄像头”整合到系统中，并设计了全新算法，将无人机的反应时间压缩至几毫秒——没错，直接提升了一个数量级。这一突破足以让无人机在空中躲避短距离砸来的球或类似物体。相关研究成果已发表在最新一期的《科学·机器人》杂志上，由苏黎世大学机器人技术与感知方向教授Da vide Scaramuzza主导。

新型摄像头与算法结合，3.5毫秒快速反应

传统摄像头（例如手机上的那种）工作原理很简单：定期拍摄一张“快照”，整幅画面所有像素同时曝光，然后交给计算机逐帧分析。这样一来，只有等机载计算机把全部像素分析完毕，才能检测到运动物体。而Da vide团队研发的“事件摄像头”则截然不同——它拥有独立工作的智能像素。也就是说，只有当某个像素感知到光强度变化时，它才会立即发出信号；没有变化的像素保持沉默。这样，机载计算机只需处理画面中一小部分发生变化的像素，计算速度显著提升，反应时间也随之缩短。

具体而言，Da vide解释道：事件会在时空域中生成一个“体”。他们的算法只考虑过去10毫秒内出现的事件，先补偿摄像头自身的运动，再分析所有事件的统计数据。对于每个像素，他们计算归一化的平均时间戳，范围在-1到1之间，动态对象的得分非常接近1。这样一来，就可以通过阈值将静态对象与动态对象区分开来。

图 | 自我运动补偿算法的各个阶段，以便区分出属于移动障碍的事件（来源：Da vide Scaramuzza）

还需说明一个问题：目前市面上无人机的目标检测算法，很难与这种新型摄像头配合工作。因为“事件摄像头”是近年才兴起的新技术，其输出方式与传统摄像头完全不同——它不输出恒定时间间隔的标准图像，而是输出与每个像素强度变化对应的异步事件流。因此，研究人员必须自行开发算法，在极短时间内收集所有事件记录，再减去无人机自身运动所产生的影响。

Da vide提到，目前全球只有5家公司能够生产这种“事件摄像头”。他的团队使用的是Insightness公司的设备。至于无人机平台，则是实验室定制的四轴飞行器，与市售产品差别不大，但用于感知和导航的算法全部由团队自主研发。

研究过程中，他们首先分别测试了摄像头和算法。第一步，将摄像头单独静止放置，向它投掷各种形状和大小的物体，同时测量算法检测物体的效率。结果显示，根据物体大小和投掷距离的不同，检测成功率在81%到97%之间浮动。而且，这套系统从检测到来袭物体到做出反应，平均只需3.5毫秒。

接下来是最严酷的考验：将摄像头安装到真实的无人机上，在室内和室外分别飞行，然后直接向无人机投掷物体。经过反复测试，无人机成功避开物体的概率超过了90%。其中包括从3米远处、以每秒10米的速度扔出的球。当无人机提前知道物体大小时，仅需一台“事件摄像头”即可；而面对大小不一的物体时，则需要两个摄像头提供立体视觉。

正在接洽商业化

那么，这项技术能否在短期内实现规模化应用？Da vide给出的回答是：原则上，技术已做好商业化准备，团队正在与多家公司洽谈具体细节。

至于未来方向，他们计划在更灵活的四旋翼上测试这套系统。更长远的目标，是希望有朝一日能让无人机达到人类飞行员般的驾驶自如。目前，所有涉及无人机的搜索和救援任务实际上都需要人工控制。如果无人机能具备像人类飞行员一样可靠的导航能力，就可以投入到超视线范围或无法远程控制的任务中去。

图 " 比较传统摄像头与事件摄像头的输出：传统摄像头以固定的速率捕获帧；而事件摄像头仅以时空事件的螺旋形式，连续输出亮度变化的信号，红色为正向变化，蓝色为负向变化（来源：Da vide Scaramuzza）

Da vide所在的苏黎世大学机器人与感知小组，一直专注于开发能够帮助自动无人机快速飞行的新技术，以便执行对时间要求极其严格的任务，例如自然灾害发生后对恶劣环境进行探索。比如地震、海啸后的搜救工作，时间就是生命。在有限的电量内（通常只有10到20分钟），无人机飞得越快、完成的任务越多越好。新摄像头将导航速度提升十倍左右，自然扩展了其潜在的更多应用场景。

未来总有一天，无人机会投入货物交付、人员运输、航拍摄影乃至搜救等各个领域。但让机器人更快地感知、更快地决策，对于更广泛的领域同样意味着改变游戏规则——无人驾驶汽车、运输机器人、采矿机器人以及远程检测设备等，都需要可靠地检测视野内的障碍物。个人认为，这项研究向着未来无人机或汽车更智能、更安全的方向，迈出了扎实的一小步。