無(wú)人機(jī)能“聽(tīng)聲辯位”了！聽(tīng)到呼救聲就能定位求助者

無(wú)人機(jī)10086

2021年6月23日 10:18

無(wú)人機(jī)能“聽(tīng)聲辯位”了！聽(tīng)到呼救聲就能定位求助者的圖1

近日，德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)通訊、信息處理和人機(jī)工程學(xué)研究所（Germany’s Fraunhofer FKIE institute）的研究人員研制了一種無(wú)人機(jī)，可以通過(guò)麥克風(fēng)收集聲音，然后分析判斷出人類(lèi)求救的尖叫聲以及聲音方向，來(lái)定位需要幫助的人。

這款無(wú)人機(jī)配有兩個(gè)核心裝置，分別是利用聲音特征訓(xùn)練出的人工智能軟件和微型數(shù)字麥克風(fēng)構(gòu)成的陣列，來(lái)保證搜尋有效性和快速性。

一、無(wú)人機(jī)搜救新方向：空中聲學(xué)定位

該項(xiàng)目首席科學(xué)家之一瑪卡麗娜·瓦雷拉（Macarena Varela）告訴《華盛頓郵報(bào)》：“與地面救援人員或訓(xùn)練有素的狗相比，無(wú)人機(jī)可以在更短的時(shí)間覆蓋更大的區(qū)域。如果有倒塌的建筑物，無(wú)人機(jī)可以提醒和協(xié)助救援人員，可以去到救援人員自己無(wú)法到達(dá)的地方。”

“配置”不同的無(wú)人機(jī)，常應(yīng)用于不同場(chǎng)景。例如，多數(shù)情況下，無(wú)人機(jī)被用來(lái)拍攝被損壞建筑物的航拍圖像，有些無(wú)人機(jī)具有熱成像功能來(lái)掃描生命體，而較大的無(wú)人機(jī)可以向偏遠(yuǎn)地區(qū)受災(zāi)人員運(yùn)送醫(yī)療用品和其他物品。美國(guó)華盛頓大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)使用氣味來(lái)定位災(zāi)難幸存者的無(wú)人機(jī)，美國(guó)航空航天公司（Aerospace Corporation）正在開(kāi)發(fā)可以在視覺(jué)上識(shí)別狗，并與救援隊(duì)分享它們位置的無(wú)人機(jī)。

除了給無(wú)人機(jī)裝上“眼睛”和“鼻子”之外，科學(xué)家還想給無(wú)人機(jī)添加上“耳朵”，來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的搜救效果。

但是無(wú)人機(jī)使用空中聲學(xué)定位面臨挑戰(zhàn)——聽(tīng)覺(jué)裝置需要在人類(lèi)叫聲和自然界中經(jīng)常發(fā)生的聲音（例如動(dòng)物叫聲和風(fēng)聲）之間進(jìn)行破譯，還可能需要識(shí)別求救人員試圖引起救援隊(duì)注意的踢腿、鼓掌或其他響動(dòng)。

FKIE團(tuán)隊(duì)研發(fā)這款無(wú)人機(jī)，正是直面如何能準(zhǔn)確識(shí)別出哪些聲音才是人類(lèi)發(fā)出的求救信號(hào)這類(lèi)挑戰(zhàn)。

無(wú)人機(jī)能“聽(tīng)聲辯位”了！聽(tīng)到呼救聲就能定位求助者的圖2

二、無(wú)人機(jī)“聽(tīng)聲”，主要依靠識(shí)別算法和微型麥克風(fēng)

FKIE的工程師在構(gòu)建無(wú)人機(jī)時(shí)，考慮了環(huán)境噪音和非人聲求救信號(hào)因素，并根據(jù)這些進(jìn)行設(shè)計(jì)。他們首先記錄了自己的尖叫聲、敲擊聲和其他需要幫助的人可能發(fā)出的聲音。然后，研究人員分析每個(gè)聲音頻率，以找到共同的特征，并用這些特征來(lái)訓(xùn)練人工智能軟件，調(diào)整軟件以過(guò)濾掉諸如無(wú)人機(jī)旋翼聲和其他環(huán)境噪音。

除了軟件算法，這個(gè)搜尋系統(tǒng)的其余部分并沒(méi)有那么復(fù)雜。研究人員選擇了能在智能手機(jī)上找到的微型麥克風(fēng)類(lèi)型，讓無(wú)人機(jī)保持輕便靈活。采用一種稱(chēng)為“鴉巢陣列”（CNA）的特定類(lèi)型的麥克風(fēng)陣列裝備在無(wú)人機(jī)下方，結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，來(lái)定位求救人員產(chǎn)生特定聲音的準(zhǔn)確位置。陣列中空間分布和麥克風(fēng)數(shù)量對(duì)估計(jì)位置的精度有重要影響，因此正確選擇它們非常重要。

無(wú)人機(jī)能“聽(tīng)聲辯位”了！聽(tīng)到呼救聲就能定位求助者的圖3

定位求救者的概念圖

瓦雷拉向《華盛頓郵報(bào)》表示，他們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了幾次成功的露天測(cè)試，他們的無(wú)人機(jī)在接收到他們發(fā)出的聲音后“幾秒鐘內(nèi)”就成功地估計(jì)了某人的位置。下一步，研究人員計(jì)劃在樣機(jī)中添加一個(gè)更高頻率的麥克風(fēng)，以使其更好地檢測(cè)更多聲音。

這不是大眾第一次看到科學(xué)家考慮使用聲音來(lái)增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的能力。去年，美國(guó)普渡大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許無(wú)人機(jī)使用四個(gè)麥克風(fēng)和一個(gè)揚(yáng)聲器進(jìn)行導(dǎo)航。

結(jié)語(yǔ)：“聽(tīng)聲”無(wú)人機(jī)拓展搜救場(chǎng)景

無(wú)人機(jī)具有體積小、造價(jià)低、使用方便、對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，在救援領(lǐng)域越來(lái)越重要的作用。無(wú)人機(jī)也越來(lái)越全能，大都配備可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)和熱成像儀等傳感器設(shè)備，可以完成視頻、圖像采集和定位搜索。

不過(guò)無(wú)人機(jī)的紅外探測(cè)器和雷達(dá)探測(cè)器可探測(cè)距離受某些因素限制，后續(xù)無(wú)人機(jī)增加聽(tīng)覺(jué)傳感設(shè)備后，有望彌補(bǔ)現(xiàn)有傳感探測(cè)器的不足，在災(zāi)害救援時(shí)增加識(shí)別概率和加快識(shí)別速度，避免更大損失。

本文來(lái)源：智東西、Engadget、The Washington Post、Acoustic Society of America

往期推薦閱讀

往期熱文（點(diǎn)擊文章標(biāo)題即可直接閱讀）：