受蚂蚁启发的无人机会通过主动观察沿路自主寻路回家

微型空中无人机有许多潜在用途，但由于其机载处理能力微乎其微，其导航能力受到严重限制。科学家们从蚂蚁等觅食昆虫身上汲取灵感，着手解决这一限制。除其他任务外，微型无人机有朝一日还可能执行在灾难现场搜寻幸存者、在危险环境中执行侦察任务，甚至为农作物授粉等任务。几乎在所有情况下，它们都需要自主飞往特定区域，然后返回基地。

在返回基地方面，目前的导航选择包括在户外使用全球定位系统，或在室内使用寻路信标模块进行无线通信。不过，全球定位系统无法在室内环境中工作，而且大多数建筑物都不可能预装寻路模块。

大型无人机可以利用激光雷达和计算机视觉系统，在飞行途中绘制周围环境的三维地图，然后再沿着地图返回。然而，绘制这样的地图需要大量的处理能力和内存，而微型无人机的微处理器根本无法提供这样的能力。

之前提出的一种替代方案是，让无人机在出发时简单地拍摄一系列周围环境的快照。在返回途中，假设无人机沿着相同的路线飞行，它们只需按照拍摄快照的相反顺序寻找快照中的地标。虽然这是一种更有效的导航方法，但所需的快照数量仍然需要内置大容量的存储器。

为了大幅减少这一数字，荷兰代尔夫特理工大学（TUDelft）的科学家们研究了蚂蚁和其他觅食昆虫。蚂蚁在离开蚁群时会记住身边的景象，但它们也会（粗略地）计算在这些快照之间所走的步数。

这种步数计算过程被称为"odometry"，可以让它们拍摄的快照数量大大减少。它们只需将周围环境与一张快照相匹配，记下步数，然后检查下一张快照。这个过程在一个又一个快照中重复，直到昆虫到达自己的群落。

在TomvanDijk和GuidodeCroon教授的带领下，代尔夫特理工大学的研究小组将同样的原理应用到了56克（2盎司）重的CrazyFlie微型四旋翼飞行器上，并为其配备了全向摄像头。当然，航拍无人机不会走路，所以直升机不能像蚂蚁一样数步。

DeCroon告诉我们："在测距方面，我们的无人机与蜜蜂的做法类似，它将光流确定的运动进行整合。为此，我们的机器人有一个向下指向的小型摄像头，可以跟踪视野中事物经过的速度"。更重要的是，这台摄像机还能跟踪地面从其下方经过的方向。

回程时，一旦无人机确定自己已经飞过了一张快照中记录的距离/方向，它就会将当前的相机图像与下一张快照进行比较。考虑到飞机在返航途中难免会有些偏移，它会修正航向，直到两幅图像几乎完全吻合。

"假设眼前有一棵树，而它在快照图像中比当前图像大。那么无人机就需要向那棵树移动，因为它在图像中也会变大，"deCroon解释说。

在室内环境中以这种方式导航，无人机能够沿着蜿蜒曲折的100米（328英尺）障碍路线自主返回基地，仅使用了1.16千字节的内存--这远远超出了大多数商用微型无人机的容量。事实上，据说这架四旋翼无人机现在保持着最轻的基于视觉导航的无人机记录。

您可以在下面的视频中看到它的实际操作。有关这项研究的论文最近发表在《科学机器人学》（ScienceRobotics）杂志上。