通过新理论控制姿态的扑翼飞行机器人。装备灵感源于昆虫的人工复合眼，机器人可通过一个较高的频率感知光流。（Credit: Christophe De Wagter/TU Delft）

为正常运行，无人机通常使用加速度传感器芯片检测重力的方向。来自荷兰代尔夫特理工大学（Delft University）、法国国家科学研究中心（CNRS）和艾克斯-马赛大学（Aix-Marseille University）的科学家团队最近展示了一项无需加速度传感器芯片的无人机。将运动的视觉检测与运动模型组合，该无人机能估算重力方向。该结论可解释飞行中的昆虫是如何检测重力的，这也是微型无人机发明路上重要的一步。

通常，无人机使用加速度传感器估算重力的方向，而飞行的昆虫没有特别的加速度感知功能，其获得重力方向的方法此前一直是个谜。本项目中，由代尔夫特理工大学牵头的欧洲科学家团队进行的研究显示，把视觉检测和运动模型结合起来，无人机也会评估重力的方向。

为了研究这种新理论，科学家们研究了光流（Optical Flow），这是一种运动图像分析的重要方法，揭示了单体是如何感知相对于所处环境的运动。而视觉运动就是在运动时，消除所有贯穿我们视网膜的信息。例如，我们坐火车上时，树木消退的速度要比远处的高山快。仅光流本身，不足以解释昆虫为什么能够知道重力方向。

但是，科学家们发现，将光流与它们的运动模型组合起来，昆虫就能发现重力方向，即预测它们下一步将如何运动。该研究结论显示，除了个别特使情况（例如，物体处于完全静止状态），这个理论可用来发现几乎所有情况下的重力方向。

无人机借助加速度传感器估算姿态。相对而言，飞行的昆虫没有专门的加速度感知功能。那么，它们究竟是如何估算重力方向的？我们先做个实验吧，让无人机在没有加速度传感器的情况下，采用和昆虫一样的方式飞行。在如此完全静态的飞行环境中，发现重力方向的不可能性，将使无人机立刻变得不稳定，迫使无人机处于运动状态。这意味着，无人机将在下一瞬间恢复原来的重力方向。这些运动也因此伴有轻微抖动，这与昆虫的飞行运动相吻合。

将这个新理论用于机器人须面临一个很大挑战，这也是自然界所面对的，即如何在有限的有效载荷下获得一个真正意义上的无人系统。由于无需加速度传感器，未来的无人机原型而会变轻，最小模型有望实现与昆虫一样大小的尺寸。

虽然这个理论解释了昆虫是如何检测重力的，我们依然需要证实它们是否真的使用了这种机理。这就需要进行专门的生物实验，证明飞行中难以观察到的这些神经处理过程的存在。

原文链接：https://techxplore.com/news/2022-10-drones-gravity-accelerometers.html

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