【科学or幻想】？机器人飞艇探索金字塔！
这个3D渲染图展示了Inria和CNRS的研究人员正在开发的，探索埃及吉萨大金字塔的机器人飞艇和管状对接站。
上个月，由埃及开罗大学工程学院和法国HIP研究所的研究人员领导的ScanPyramids项目宣布，他们使用了μ子成像技术发现隐藏在胡夫金字塔深处的大空洞（因为它是那么大，也被称为吉萨大金字塔，）。没有人知道里面是什么东西，或者里面什么都有，甚至也许这就是星际之门所藏的地方。很明显，这里有很多关于可能隐藏或不隐藏的内容的兴趣，它可以帮助解决诸如，如何以及为什么金字塔建造的奥秘。
问题是，（可以理解）我们不会在大金字塔里开个大洞来看看发生了什么。在2002年，埃及学科家使用了一个定制的探索机器人（事实上，由iRobot制造）来探索一个由大门密封的大金字塔女王室内的小窗户。机器人并没有试图打开门，而是在这个过程中破坏了它，机器人钻了一个大小足以穿过相机的小洞，试图对硕果仅存的古代世界七大奇迹进行最小程度的不可逆转的破坏。他们发现的另一面是另一扇门，但问题是，如果我们想要探索金字塔，我们将不得不通过尽可能小的洞做到这一点。
法国研究机构Inria和CNRS正在与ScanPyramids合作开发一种探测机器人，它可以通过一个小孔来挤压进入，同时一旦通过小孔，仍然可以最大限度地进行探测。他们提出的概念是一个机器人飞艇，可以塞进一个3.5厘米的洞，展开和膨胀自己，然后在放气和再次撤离之前大面积探索。
这个系统由两个机器人组成，两个机器人都足够小，可以穿过尽可能多的古代历史遗迹钻出的3.5厘米直径的洞，尽可能不去破坏它。首先是配备了全向摄像头的管状机器人，先进行测量，发回高分辨率图像。
如果一切都看起来足够安全和并可能会有激动人心的发现，相同的洞被用来插入一个折叠起来的微型机器人飞艇。一旦进入，该软式飞艇就会充满氦气，展开直径达80厘米。然后用50克有效载荷的电机和传感器（包括灯光，照相机和辅助导航系统）将其卸下并浮起。一旦完成任务，飞艇返回码头，放气并重新折叠，然后直接从同一个洞里出来。
Inria和CNRS开发的管状摄像机器人概念的3D渲染图。它将通过一个小直径的孔进入，并打开它的外壳，让一个全方位的摄像机来观察结构的内部。
使用折叠式飞行机器人进行这种探索听起来可能是不必要的复杂和危险的，但是为什么它比其他类型的带有轮子，轨道，腿的地面机器人，或者带有电机的无人机更好呢？第一，飞艇不必担心楼梯，岩石，坡道（或陷阱）。你从一个飞艇得到一个更好的视角，你也可以更快地覆盖更多的区域。与传统的旋翼飞机相比，Blimps也可以无害地从障碍物上弹开，并且不太可能被撞毁，而且即使万一撞毁了，你可以想象这个碰撞本质上也是非常柔和的（不会对古迹造成破坏）。
有关这一切如何工作的更多细节，我们与Inria的高级研究员Jean-Baptiste Mouret博士进行了交谈。您可能还记得过去我们已经介绍的Mouret的一些工作，关于如何使机器人能够自动从肢体伤害中恢复过来，听起来这些技能中的一部分也正在应用到这个飞艇中。
IEEE Spectrum：3.5厘米的孔直径是如何决定的？ 为什么不使用更大的孔让事情变得更简单？
Jean-Baptiste Mouret：这是一个妥协：一方面，我们要钻一个尽可能小的洞，以尽量减少对建筑物的改变; 另一方面，它必须足够大以适应我们所需要的所有执行器，传感器和机构。 除了留下更大的痕迹之外，一个大洞还可能影响建筑物的完整性（请记住，我们的目标是建筑物可能有数千年的历史），我们需要尽量减少崩溃的风险。 当然，我们也喜欢这个挑战：如果钻孔很大，就不需要新的设计，也没有那么多创意的机会！
将所有必要的硬件安装到如此小的直径中有哪些挑战？
除了小型化的常见技术挑战之外，我们还需要加工或3D打印许多小零件，并且有很多移动部件 - 例如，我们管状侦察机器人的当前设计有超过140个滚珠轴承。 我们从我们的Ultimaker 2 3D打印机开始，因为它比机械加工更快，3D打印使我们能够制作高度复杂的形状。 但是，要获得小部分是非常困难的。 我们最近买了一台Form 2 3D打印机，这对于小型和复杂的部件来说是惊人的。 我们的原型现在好多了，我们可以每天多次打印新的零件。
我看到论文中说那个飞艇将具备“生物启发传感器和原则”，你能详细说明吗？
由于氦气囊体积限制，飞艇的吊舱重量不能超过50克。 有了这个质量，我们就不能携带Kinect，激光雷达或类似的高清晰度传感器。 做任何需要复杂计算的事情也很困难，因为这会显着影响机动性。 而机器人将无法使用GPS，因为它将在建筑物内部。 因此，我们需要别的东西。
这就是为什么我们联系马赛的法国科学研究院（CNRS / Aix-MarseilleUniversité），它从蜜蜂和苍蝇身上获得灵感，为小型无人机开发了几种非常轻便的传感器。 更确切地说，我们感兴趣的是两个传感器：
●微型光学流量传感器，可在低光照条件下工作。 现在已经确定，昆虫具有对光流敏感的神经元，也就是在观察者和目标场景之间的相对运动会在视觉场景中的表面目标角速度，表面和边缘产生矢量场 。 这些视觉流感神经元允许昆虫在视觉上起飞，着陆和避开障碍（通常通过平衡左侧和右侧的光流），同时依靠少量的神经元。
我们的飞行机器人使用相同的策略返回基地，如果它失去无线电信号链路，可以帮助操作者避开障碍物，能够返回到其基地。 本质上，我们将一个光学流量传感器，一个磁力计和一个指向地面的距离传感器相结合，以便机器人可以“重放”它的路径。
●我们也对同一个研究所开发的第二个微型传感器HyperCube很感兴趣，它可以做一个非常小的封装（1厘米3 / 0.33克），主动标记跟踪（红外闪烁发光二极管在飞艇上）。 该传感器在昆虫中使用“过度骚扰”的概念：能够以比理论（静态）分辨率更高的分辨率定位对比物体，其可以通过扫描传感器的运动（例如振动）来测量，或者像 HyperCube，具有高频闪烁LED（> 1 kHz）。 我们需要这个传感器，让我们的微型飞艇精确降落在坞站上。
你能描述一下这个飞艇将如何对接，然后放气并重新折叠自己？
充气膨胀和折叠是这个概念的两个主要挑战。 为了进行对接，我们将依靠HyperCube传感器精确地定位在平台上。 对于膨胀/收缩/折叠，我们正在探索几种方法，并且我们已经在实验室中进行了一些实验，但现在发现我们会选择哪种方法还为时尚早。 很明显的是，我们不能把电子器件和飞艇囊体放在有一千年历史的古迹里面。 我们真的需要一个可靠的回收技术。
上图显示了机器人飞艇将如何（a）通过一个3.5厘米的洞进入古迹结构; （b）用氦充气，然后从其管状对接站上拆下; （c）外面的操作员要看探索古迹结构的内部; （d）返回对接管并放气; （e）从古迹结构中抽离出来。
Q：那是个很好的观点。有了这样一个小型的接入点和一个不受限制的飞行机器人，如果出现问题，你是否担心会丢失机器人？
A：不幸的是，微型飞行机器人（飞艇或者四轴飞行器）不能携带系绳，因为这会导致重量过重（即使是轻型的导线），由于拖在地板上的导线（小型无人机不能载重太大）而增加摩擦力， ，当我们想要做的比盘旋更多时，拖在地上的系缆会干扰飞行。
这就是为什么我们使用轻量级仿生传感器来设计“虚拟系绳”的原因：机器人即使失去了无线电连接，也需要能够自主地回来，并且需要多少具备自主对接的能力（这样我们才能不要依赖专家驾驶技能）。
如果发生了非常糟糕的事情，例如我们失去了螺旋桨，那么我们将依靠我们的“智能试验和误差”算法来搜索替代飞行控制器。该算法被设计为嵌入在轻量级硬件上（因为许多事情是预先计算的）并且不需要诊断（这对于几乎没有内部传感器的小型机器来说将是非常具有挑战性的）。
Q：具有这些功能的机器人有哪些其他的潜在应用？
除了考古学之外，我们还和核工业的人们进行过例行检查或灾后评估。 而且我们还在探索其他领域：能够通过一个很小的洞发送一个飞行机器人肯定可以在很多情况下使用。
Q：你认为最初部署这个机器人最令人兴奋或有价值的地方在哪里？
A：最令人兴奋的地方显然是大金字塔，在这个大金字塔中，ScanPyramids项目最近使用宇宙射线μ子探测器发现了至少三个的重要空洞：大画廊上方的一个大空洞，北面走廊的开始，东北边缘的空洞较小。我们最近加入了ScanPyramids团队，考虑这个项目所隐含的约束条件，并在有机会时做好准备。然而，ScanPyramids团队首先需要修正空隙位置（使用更多μ测量），当然，在做任何事情之前，我们都需要得到埃及当局的授权。现在，把我们的机器人发送到大金字塔还是一个梦想：目前还没有具体的计划，我们可能会在其他地方部署机器人。
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莫雷说，他们有一个很好的第一个机器人原型，管状侦察员用灯和摄像头做第一次调查。飞艇本身有点棘手，他们仍然在系统研究如何充气，部署，然后捕捉和重新折叠机器人飞艇。希望ScanPyramids能够准确地找到他们想要探索的地方，机器人就可以开始工作了。
从浮空器工程角度看，这个微型飞艇的氦气存储，自动充气，自动放气，自动叠放（特别是叠放，还需要把囊体里面的气体抽干净还可能叠好）都是不小的挑战，预祝Inria和CNRS能够取得突破性进展，这些都有很强的实用性价值。
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