提到聲吶，許多人的第一反應(yīng)就是水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)，的確，聲吶技術(shù)應(yīng)水下目標(biāo)預(yù)警探測(cè)而生，是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測(cè)和通訊任務(wù)的電子設(shè)備。然而，聲吶并不是水下探測(cè)的專(zhuān)屬物，在陸地環(huán)境中，人們一直想將聲吶應(yīng)用起來(lái)，但至今為止，都只是在效仿蝙蝠的初級(jí)階段緩慢前行。
日前，以色列特拉維夫大學(xué)表示，研究人員開(kāi)發(fā)了一種完全自主的地形機(jī)器人，名為Robat，它能像蝙蝠一樣發(fā)出聲音并分析回聲，以識(shí)別、繪制和避開(kāi)戶外障礙物。Robat是首個(gè)完全自主的、生物學(xué)上類(lèi)似蝙蝠的行走機(jī)器人，這款地形機(jī)器人的問(wèn)世，無(wú)疑讓聲吶技術(shù)圈，再增一個(gè)新坐標(biāo)。
“兩棲”技術(shù)：水下聲吶的陸地應(yīng)用
為何人們要將聲吶技術(shù)應(yīng)用于水下呢?
這其中是一個(gè)很簡(jiǎn)單的物理效應(yīng)，通常情況下，聲音在固體中的傳播速度大于在液體中的傳播速度，在液體中的傳播速度大于在氣體中的傳播速度。聲吶的工作載體便是聲波，聲波在水中傳播速度更快，能量衰減緩慢，探測(cè)位置不會(huì)發(fā)生很大改變，相對(duì)準(zhǔn)確。
但是，鑒于聲吶技術(shù)測(cè)距遠(yuǎn)，抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，人們一直在試圖將聲吶系統(tǒng)應(yīng)用到陸地機(jī)器人中，使其產(chǎn)生機(jī)器視覺(jué)概念，識(shí)別出周?chē)矬w的形狀。但此類(lèi)嘗試的效果并不美好。技術(shù)上，人們還是難以克服高頻聲音在傳播時(shí)受到距離和反射物的影響衰減較快的難題。
人們迫切地想要將聲吶這只“蝌蚪”發(fā)育成“青蛙”，而“動(dòng)物”的事情自然要靠動(dòng)物來(lái)解決。通過(guò)對(duì)蝙蝠生物聲吶的觀察，研究工作表明，在超聲波向外傳播的過(guò)程中，蝙蝠頭部的某些生物聲吶器官(例如耳廓、耳屏等結(jié)構(gòu))會(huì)在超聲波信號(hào)向外傳播的過(guò)程中對(duì)蝙蝠的發(fā)射聲場(chǎng)產(chǎn)生影響。
這也給了人們一個(gè)思考方向。如果能夠提取蝙蝠耳廓運(yùn)動(dòng)的軌跡，進(jìn)行三維重構(gòu)，將這些“器官”應(yīng)用到機(jī)器人身上，是不是可以解決一些難題呢?
如果用超聲波揚(yáng)聲器或發(fā)射器創(chuàng)建發(fā)音“嘴”，用兩個(gè)超聲波接收器創(chuàng)建收音“耳廓”或者“耳屏”，發(fā)音“嘴”以穩(wěn)定的頻率向四周發(fā)出聲波，并用“耳廓”或“耳屏”來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)，對(duì)外界環(huán)境的聲壓分布和聲波輻射分布產(chǎn)生影響，讓在戶外環(huán)境活動(dòng)的機(jī)器人得以獲得周?chē)鷮?shí)時(shí)映射圖像。
放在陸地上，聲吶機(jī)器人的作用比我們想象得更多。在人工智能、信號(hào)處理和工藝材料等基礎(chǔ)能力的推動(dòng)和認(rèn)知、MIMO 等新型體系架構(gòu)方式的牽引下，聲吶系統(tǒng)在功能和性能領(lǐng)域不斷拓展，不管是掃地機(jī)器人還是救援機(jī)器人，都能利用聲吶技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航。
最佳的例子是解決農(nóng)業(yè)上產(chǎn)量預(yù)測(cè)這一痛點(diǎn)， 聲吶系統(tǒng)通過(guò)作物園地塊不同物體的聲學(xué)特征，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境的狀況進(jìn)行評(píng)估，并利用智能算法對(duì)聲波結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，從而得出關(guān)于產(chǎn)量的量化預(yù)測(cè)。來(lái)自以色列的研究人員就在近日啟動(dòng)了一個(gè)新的項(xiàng)目，計(jì)劃通過(guò)聲吶機(jī)器人“AGRYbot”來(lái)預(yù)測(cè)水果等農(nóng)作物的產(chǎn)量。
雷達(dá)、激光雷達(dá)、聲吶……自動(dòng)駕駛的春天來(lái)了？
蝙蝠是一種群居性的動(dòng)物，通常情況下，多個(gè)種類(lèi)且數(shù)量巨大的蝙蝠群會(huì)集中居住在山洞或者樹(shù)林之中，以中國(guó)南方為例，一個(gè)山洞里可能居住著數(shù)萬(wàn)只以上的蝙蝠。而在復(fù)雜的環(huán)境下，蝙蝠之間卻不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)混亂的現(xiàn)象，這些蝙蝠在傍晚時(shí)依舊會(huì)有條不紊地外出覓食。
這種特性的受益者，無(wú)疑是當(dāng)下最為火熱的無(wú)人駕駛。
在無(wú)人駕駛車(chē)輛的技術(shù)單元中，戶外復(fù)雜環(huán)境的運(yùn)動(dòng)障礙物檢測(cè)、預(yù)測(cè)和碰撞一直是研究的難點(diǎn)。現(xiàn)階段，單一的識(shí)別輪廓特征的方法在動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)跟蹤過(guò)程中的準(zhǔn)確率和速度較低，在識(shí)別出動(dòng)態(tài)障礙物的種類(lèi)、準(zhǔn)確地檢測(cè)和跟蹤動(dòng)態(tài)障礙物并預(yù)測(cè)出動(dòng)態(tài)障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡方面的表現(xiàn)也不盡人意。
以目前無(wú)人駕駛最常搭載的激光雷達(dá)技術(shù)為例。激光雷達(dá)在工作時(shí)受天氣影響較大，激光在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)，而在大雨、濃煙、濃霧等天氣里，衰減會(huì)急劇加大，傳播距離也會(huì)受到較大影響。如工作波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的，在糟糕天氣的衰減是晴天的6倍。而且，大氣環(huán)流還會(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng)，進(jìn)而直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。
即便是傳播距離更遠(yuǎn)，價(jià)格更高的雷達(dá)，也面臨著許多問(wèn)題。早在2016年，雷達(dá)就被特斯拉Autopilot8.0應(yīng)用起來(lái)，但特斯拉也曾公開(kāi)表示，雖然把雷達(dá)作為Autopilot主要探測(cè)手段有助于預(yù)防類(lèi)似交通事故，但也存在著探測(cè)人物的清晰度不如相機(jī)，對(duì)木質(zhì)和塑料物體的識(shí)別不到位，金屬物體反射信號(hào)導(dǎo)致接收信息錯(cuò)誤等問(wèn)題。
聲吶在不同物體的識(shí)別上具有一定優(yōu)勢(shì)，聲吶中的被動(dòng)聲吶還能夠直接接受外界環(huán)境或其它機(jī)械工作的噪聲，隱蔽性和排他性較好。但是，聲吶傳感器發(fā)射的超聲波在長(zhǎng)距離檢測(cè)中常出現(xiàn)能量衰減問(wèn)題，并且易受到鏡面漫反射的影響。
三者各有利弊，單獨(dú)使用哪一種都不能得到最好的效果。而如果將雷達(dá)或者激光雷達(dá)與聲吶結(jié)合使用，或許能提高車(chē)輛對(duì)障礙物的檢測(cè)和判斷能力，從而保障車(chē)輛對(duì)路徑的規(guī)劃及選擇的精確度，有效提高無(wú)人駕駛對(duì)復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)能力和調(diào)節(jié)能力。
舉個(gè)例子，當(dāng)激光雷達(dá)與聲吶結(jié)合時(shí)，車(chē)輛向前行駛，聲吶傳感器和激光傳感器同時(shí)工作。當(dāng)聲吶傳感器檢測(cè)出前方有障礙物時(shí)，此時(shí)應(yīng)該結(jié)合激光傳感器的檢測(cè)結(jié)果，若二者檢測(cè)的結(jié)果都符合障礙物的特征,則在車(chē)輛視野中標(biāo)記出障礙物的坐標(biāo)，多次檢測(cè)到信息一致時(shí)確定并記錄障礙物的距離與方位信息，然后車(chē)輛根據(jù)路徑選擇策略，選擇正確的路徑繼續(xù)行進(jìn)。
不論是雷達(dá)、激光雷達(dá)還是聲吶技術(shù)，比起蝙蝠的生物傳感，人造傳感還是有一定的性能差距，在仿生學(xué)上，我們還有很長(zhǎng)的路要走。但在人們的不斷努力下 ，無(wú)人駕駛的來(lái)時(shí)路，已經(jīng)越來(lái)越近了。
關(guān)鍵詞： 雷達(dá) 激光雷達(dá) 聲吶 自動(dòng)駕駛
