無人機的未來
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0:01 - 0:05在我的實驗室,我們製造
自動式飛行測量機器人, -
0:05 - 0:07比如現在正在飛的這個。
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0:09 - 0:12和那些可以在市場上
買到的飛行器不同的是, -
0:12 - 0:15這個飛行器並沒有搭載全球定位系統(GPS)。
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0:16 - 0:17沒有定位系統,
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0:17 - 0:21飛行器很難確定它們自己所在的位置。
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0:22 - 0:27這個飛行器自帶傳感器、
攝像機和激光掃描儀, -
0:27 - 0:29用於掃描檢測周圍的環境。
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0:29 - 0:32飛行器從周圍環境中探測物體,
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0:32 - 0:35用三角測量法,
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0:35 - 0:37確定自己和周圍物體的相對位置和距離。
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0:37 - 0:40然後將這些物體整合到一張地圖中,
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0:40 - 0:42像我身後展示的這樣。
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0:42 - 0:46這個地圖可以使飛行器了解
那些外界物體的位置, -
0:46 - 0:49從而在導航的時候避免碰撞。
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0:49 - 0:51接下來我想展示給你們的
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0:51 - 0:54是我們在實驗室中做的一系列實驗,
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0:55 - 0:58在實驗室中飛行器可以進行長距離飛行。
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0:58 - 1:03你們看,在右上方的位置,是飛行器
在攝像機中“看”到的場景, -
1:03 - 1:05以及在主屏幕中的樣子,
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1:05 - 1:07當然這個視頻是以4倍速度在播放,
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1:07 - 1:10在主屏幕上你可以看到地圖的搭建進程。
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1:10 - 1:14這是一個高分辨率的實驗室周圍走廊的地圖。
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1:14 - 1:16馬上你們將看到飛行器飛入我們的實驗室,
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1:17 - 1:19一看這麼亂就知道是我們實驗室。
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1:19 - 1:20(笑聲)
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1:20 - 1:22我想說的重點是,
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1:22 - 1:26這些飛行器可以創建
高達5釐米*5釐米(每像素)的 -
1:26 - 1:29高分辨率地圖,
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1:29 - 1:33可以使那些在實驗室外或者建築物外的人,
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1:33 - 1:36不用進入內部就可以進行部署,
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1:36 - 1:40並嘗試推斷建築物內部的事態情況。
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1:40 - 1:43這些飛行器有一些主要的缺點。
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1:44 - 1:46第一,它體積很大。
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1:46 - 1:48因為它體積較大,所以比較重。
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1:49 - 1:52這些飛行器消耗大概每磅消耗100瓦能量,
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1:52 - 1:55這就使得它們只能執行短時間任務。
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1:56 - 1:57第二個缺點,
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1:57 - 2:01這些飛行器自帶的傳感器很昂貴:
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2:01 - 2:05包括一個雷射光光掃描儀、一個攝像機,
還有多個處理器, -
2:05 - 2:08這些都使得飛行器的製造成本上升。
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2:09 - 2:12於是我們就問自己:
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2:12 - 2:16什麼樣的產品是可以在電子商店裡買到的?
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2:16 - 2:22那種價格不貴的、輕便,
並且自帶傳感器和處理器的...... -
2:24 - 2:27於是我們發明了“飛行手機”。
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2:27 - 2:29(笑聲)
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2:29 - 2:35這個飛行器搭載了一個
常見的三星智慧型手機, -
2:35 - 2:39另外你只需要一個手機應用,
可以在我們的應用商店下載。 -
2:39 - 2:43你們可以看到這個飛行器
正在讀TED這幾個字母, -
2:43 - 2:46它主要關注T和E這些字母的邊角,
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2:46 - 2:50然後應用三角測量法自主飛行。
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2:51 - 2:54那個手柄只是放在那,避免飛行器突然失控,
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2:54 - 2:55Giuseppe同學就能廢了它。
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2:55 - 2:57(笑聲)
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2:59 - 3:03除了製作這些小飛行器之外,
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3:03 - 3:08我們還實驗了一些比較激烈的動作。
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3:08 - 3:13這個飛行器的當前速度是2到3米每秒,
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3:13 - 3:17較為激烈地起落和翻滾。
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3:17 - 3:21重點是,我們可以製作更小的飛行器,
它們飛得更快, -
3:21 - 3:24它們可以在不規則的環境中飛行。
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3:25 - 3:27在下一個視頻中,
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3:27 - 3:33就像你看到的這隻鷹很優雅地扇動翅膀,
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3:33 - 3:37和眼睛、爪子一起協調,從水中抓魚,
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3:37 - 3:39我們的飛行器也能這麼抓魚。
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3:39 - 3:41(笑聲)
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3:41 - 3:45在這裡,它是從空氣中抓到一個
菲力芝士牛排三明治。 -
3:45 - 3:47(笑聲)
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3:48 - 3:51這個飛行器大概每秒飛行3公尺,
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3:51 - 3:56比我們步行速度更快,
它在瞬間協調了機械臂、機械爪 -
3:56 - 4:00和飛行動作來完成整個流程。
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4:02 - 4:03在另一個實驗中,
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4:03 - 4:07我將展示給各位這個飛行器如何自適應飛行,
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4:07 - 4:09來控制它的懸掛負載。
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4:09 - 4:13這個負載的長度比飛行器
要穿過的窗戶還要大。 -
4:14 - 4:15為了做到這一點,
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4:15 - 4:19它必須利用起落來控制高度,
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4:19 - 4:21並且通過擺動將負載擺過窗子。
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4:27 - 4:29當然,我們想把這些飛行器變得更小。
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4:29 - 4:32我們受到了蜜蜂的啟發。
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4:32 - 4:36如果你仔細觀察蜜蜂,在這個慢速的視頻中,
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4:36 - 4:39它們體積很小,慣性也很小,
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4:40 - 4:41(笑聲)
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4:41 - 4:45所以它們并不在意 - 比如說從我手上彈開。
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4:45 - 4:48這是一個模仿蜜蜂動作的小型飛行器。
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4:49 - 4:50越小越好。
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4:50 - 4:53因為更小的體積會有更小的慣性。
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4:53 - 4:55更小的慣性 --
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4:55 - 4:58(飛行器蜂鳴,笑聲)
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4:58 - 5:01更小的慣性,就更加不怕碰撞,
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5:01 - 5:02這使飛行器更加強壯。
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5:04 - 5:06所以就像這些蜜蜂一樣,
我們製造了小型飛行器。 -
5:06 - 5:10你們看到的這個只有25公克重,
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5:10 - 5:12它只消耗6瓦能量。
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5:12 - 5:15它可以每秒飛行6公尺。
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5:15 - 5:17所以如果我把它的尺寸標準化,
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5:17 - 5:21它就像是一架以10倍
音速飛行的波音787飛機。 -
5:24 - 5:26(笑聲)
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5:26 - 5:28我還想給你們看一個例子。
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5:29 - 5:34這可能是第一個計劃性的控制碰撞,
降速20倍播放。 -
5:34 - 5:37兩個飛行器以相對速度每秒2米飛行,
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5:37 - 5:39這闡釋了基本原理。
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5:40 - 5:42圍住飛行器的是碳纖維架,重2公克。
用於防止兩架飛行器的螺旋槳卷到一起。 -
5:45 - 5:50最終碰撞力量被吸收了,
飛行器也對碰撞有良好反應。 -
5:51 - 5:53所以小尺寸意味著高安全性。
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5:53 - 5:55在我的實驗室中,
就像我們研發這些飛行器一樣, -
5:55 - 5:57我們從研發大型飛行器開始。
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5:57 - 6:00到現在我們研發這些小飛行器。
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6:00 - 6:03如果用一個柱狀圖來記錄
我們買過的OK繃的數量, -
6:03 - 6:06現在我們幾乎不需要買了。
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6:06 - 6:08因為這些飛行器非常安全。
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6:09 - 6:11小體積也有一些缺陷,
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6:11 - 6:15但是自然界找到了很多方法來彌補這些缺點。
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6:16 - 6:20最基本的概念是牠們
集合到一起組成大型的群族。 -
6:20 - 6:24所以同樣的在我們實驗室,
我們嘗試創建機器人(飛行器)群族。 -
6:24 - 6:26這並不容易,
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6:26 - 6:29因為我們需要考慮飛行器的網絡操作。
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6:29 - 6:31在每一個飛行器中,
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6:31 - 6:36我們需要顧及到傳感、通訊
和計算的相互作用 -- -
6:36 - 6:41這個網絡結構非常難以控制和管理。
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6:42 - 6:45所以我們從大自然中學習到三個組織原則,
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6:45 - 6:49最終幫助我們完成了算法。
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6:50 - 6:54第一個是,飛行器需要關注
附近的其他飛行器。 -
6:54 - 6:58它們要能夠探測到附近的
其他飛行器並與其進行通訊。 -
6:58 - 7:01這個視頻闡述了基本概念。
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7:01 - 7:02有四台飛行器,
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7:02 - 7:06其中一台被實驗員握在手中。
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7:07 - 7:09但是因為每個飛行器都與其他飛行器有交互,
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7:09 - 7:11它們能探測到彼此,
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7:11 - 7:12就會跟隨實驗員手中的飛行器。
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7:12 - 7:18所以這個實驗員能夠主導這一群飛行器。
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7:20 - 7:25這並不是因為這些飛行器
知道它們該飛往哪裡。 -
7:25 - 7:29這隻是因為它們在對
彼此的位置進行交互和反饋。 -
7:32 - 7:36(笑聲)
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7:36 - 7:42下一個實驗闡述了第二個自然組織法則。
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7:43 - 7:47這個原則與匿名原則有關。
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7:47 - 7:52重點在於,
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7:52 - 7:56每個飛行器並不知道
附近其他飛行器的身份。 -
7:56 - 7:59這些飛行器被要求組成一個圓形陣列,
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7:59 - 8:02不管你增加多少飛行器進去,
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8:02 - 8:05或者拿開多少飛行器,
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8:05 - 8:08每個飛行器都只是在跟附近的飛行器交互。
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8:08 - 8:13它們知道它們需要組成圓陣,
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8:13 - 8:15與其他飛行器進行配合,
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8:15 - 8:19這個過程並不需要中樞協調。
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8:20 - 8:22現在如果我們綜合來看,
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8:22 - 8:26第三個原則是我們最終應用到飛行器上的,
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8:26 - 8:30用數學來描述它們需要組成的陣列形狀。
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8:30 - 8:34這些形狀可以根據一個時間函數進行變化,
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8:34 - 8:38我們會看到這些飛行器從一個圓形陣列開始,
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8:38 - 8:41接著變為長方形陣,然後是一條直線,
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8:42 - 8:43最後變回橢圓形陣。
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8:43 - 8:47它們同樣是瞬間協調來完成這些動作,
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8:47 - 8:50就像自然界的群族一樣。
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8:51 - 8:53那麼為什麼要模仿群族呢?
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8:53 - 8:57我們對兩方面的應用很感興趣。
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8:58 - 9:01首先是農業,
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9:01 - 9:04這可能是世界範圍內最嚴峻的問題。
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9:05 - 9:06你們都知道,
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9:06 - 9:10世界上每七個人中就有一個人營養不良。
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9:10 - 9:13絕大部分可用耕地都已經被開墾耕種。
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9:14 - 9:17世界上大多數系統的效率都在提升,
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9:17 - 9:21但是我們生產系統的效率卻在降低。
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9:21 - 9:25這主要是由於水資源缺乏、
農作物疾病和氣候變化, -
9:25 - 9:27和其他的一些原因。
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9:27 - 9:29那麼機器人能做些什麼呢?
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9:29 - 9:34我們在社區中採用了一種
叫做“精確種植”的方法。 -
9:34 - 9:39基本思路是用機器人飛行器在果園中飛行,
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9:39 - 9:42為每一棵農作物搭建精確的模型。
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9:43 - 9:44就像個體化用藥一樣,
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9:45 - 9:49對每個病人要對症下藥,
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9:49 - 9:53我們所做的是給每一棵農作物創建模型,
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9:53 - 9:57並告訴農民每一棵農作物分別需要什麼:
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9:57 - 10:02可能是水、也可能是化肥或者殺蟲劑。
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10:03 - 10:06你們可以看到飛行器正在蘋果園中穿行,
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10:06 - 10:09馬上你們還會看到另外兩台飛行器,
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10:09 - 10:10正在左邊做同樣的工作。
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10:11 - 10:14它們正在創建果園的地圖
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10:14 - 10:17每一棵果樹都將呈現在地圖上。
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10:17 - 10:19(飛行器蜂鳴)
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10:19 - 10:21我們來看看這些地圖吧。
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10:21 - 10:25下一個視頻中你們將看到搭載在飛行器上的攝像機。
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10:25 - 10:28左上方是一個高級彩色攝像機
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10:30 - 10:33中間的是一個紅外線攝像機。
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10:33 - 10:37左下方是一個熱感攝像機。
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10:37 - 10:40當飛行器在飛過果樹時由傳感器採集數據,
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10:40 - 10:46在主面板上你將看到每一棵果樹的三維重建。
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10:48 - 10:52有了這些數據,我們可以做一些研究。
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10:52 - 10:56我們能做的第一件事
也是最重要的事很簡單: -
10:56 - 10:59計算每一棵果樹上果實的數量。
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11:00 - 11:04有了這個,我們可以告訴農民
她的每一棵果樹上都有多少果子, -
11:04 - 11:08由她來估算整個果園的產量,
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11:08 - 11:11從而優化下游產業鏈。
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11:12 - 11:13我們能做的第二件事,
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11:13 - 11:18是對果樹建模,進行三維重建,
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11:18 - 11:20從而估算樹冠的大小,
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11:20 - 11:24將每一棵果樹的樹冠尺寸和樹葉面積做關聯。
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11:24 - 11:26這被稱作是“葉面積指數”。
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11:26 - 11:28如果我們知道一棵樹的葉面積指數,
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11:28 - 11:34就能大概知道這棵果樹在進行多少光合作用,
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11:34 - 11:37於是就能得知這棵果樹是否健康。
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11:38 - 11:42將視覺信息和紅外信息整合起來,
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11:42 - 11:45我們就能計算一些指數,
例如歸一化植被指數(NDVI)。 -
11:45 - 11:48在我們的這個案例中,能夠看到,
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11:48 - 11:51有一些作物並不像其他作物那樣健康。
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11:51 - 11:55這在圖像中是很容易辨別的。
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11:55 - 11:57不是在視覺圖像中,而是在
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11:57 - 12:00視覺和紅外線合成的圖像中。
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12:00 - 12:01最後,
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12:01 - 12:05我們很想做的一件事是,
檢測早期的樹葉萎黃病。 -
12:05 - 12:07這是一顆橘子樹,
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12:07 - 12:10可以看到泛黃的樹葉。
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12:10 - 12:14飛行器在上空飛行的時候可以
輕易地自動檢測到這一現象, -
12:14 - 12:17然後向農民報告,在果園中的這一區域
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12:17 - 12:18出現了問題。
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12:19 - 12:21這個系統對農業生產非常有用,
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12:22 - 12:27我們估計農業產量將會上升10%,
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12:27 - 12:31更重要的是,通過使用飛行器群族,
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12:31 - 12:34降低25%的水資源用量。
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12:35 - 12:41最後,我希望大家向創造了
未來的人們致以掌聲, -
12:41 - 12:46Yash Mulgaonkar, Sikang Liu
和 Giuseppe Loianno, -
12:46 - 12:49他們負責你們看到的三次演示。
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12:49 - 12:51謝謝!
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12:51 - 12:57(掌聲)
- Title:
- 無人機的未來
- Speaker:
- 偉傑.庫馬爾
- Description:
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在他賓夕法尼亞大學的實驗室裡頭,偉傑.庫馬爾與他的團隊以蜜蜂為靈感,開發了自動飛行機器人(無人機)。他們最新的突破用於精准農業,運用無人機集群來勘查、重建與分析果園裡的每一株植物,每一個果實,為農民提供重要的資訊,幫助他們增加畝產,並進行更智能化的灌溉管理。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:09
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