上個月，一個斯坦福無人機躲避擊劍的視頻紅遍網絡，IEEE Spectrum當時希望對其開發者Ross Allen進行采訪。Ross說沒問題，只是我最近被博士論文答辯忙得焦頭爛額。如今Ross已經成功晉升為Allen博士，并為我們解答了各種關于無人機和擊劍的問題。
如果你之前沒看，一定要點擊鏈接，看看這個視頻。擊劍是不是帥爆了？更帥氣的是，這是第一次我們在真正意義上看到了無人機系統在障礙環境中進行“實時動態運動路徑規劃”。Allen博士與斯坦福自動化系統實驗室的同事Marco Pavone最近發表了該項目的論文。Allen博士用非常平白的語言解釋了這項聽起來很科幻的技術：
“我們可以想象一下一個迷宮，類似于你小時候可能玩過的那種，用筆在紙上畫的迷宮。走迷宮就是在解決一個基本的路徑規劃問題：在障礙環境中（迷宮的墻），為一個點進行導航（為你的筆尖），讓它到達一個目標點（迷宮的出口）。如果是3D迷宮，那么這個問題就變得更加復雜了。給你舉個例子：把鋼琴搬入一間擁擠的公寓里，當心不能讓鋼琴撞到墻或家具給磕碰壞了。你可以事先規劃好一條搬運路線，可能其中需要有轉彎、打橫等變化，最終可以將鋼琴搬進房間里。
現在，我們再把這個問題搞得更復雜一點。再來想象一下，你現在得開車穿過市區。當然，市區里有房子、汽車和行人。你必須以盡可能最短的路線到達目的地。這比搬運鋼琴又多了些限制，因為我沒法把汽車打橫過來開車，而且我還必須按照車道和交通規則駕駛，例如，不能在大馬路上玩漂移。另外，開車的時候如果要停車，我得先踩剎車，車子停下來還得花一定時間。如果轉彎的時候開得太快，車子就會失控滑出去。這下你看明白了，穿過障礙環境到達目的地是個需要規劃的事情。現在，還有些額外的規矩限制機器人的運動方式。我們將這些規矩稱為“動態運動”限制（其中有一些是運動學上的限制，例如轉彎；另外一些是動態的限制，例如減速剎車。）當我們面對這種問題的時候，我們就稱其為‘動態運動路徑規劃問題’。
我們的研究是要開發一個框架來解決類似這樣的問題，可以大大降低操作機器人所需的計算量。我們在一個充滿障礙的室內環境里，用一個四翼無人機系統展示了這個框架。可以說，這是第一個無人機系統代表動態運動系統所做的實時規劃展示。
Ross Allen博士（左）與同事。圖片來源：斯坦福大學。
在網絡上受到廣泛關注的視頻，其實還沒有展示出我們研究的完整形態，不過那個視頻讓人一眼就看到了技術的可能性。這個視頻展示了更多技術能力，無人機想繞過一道墻，但是我又擋住了它的去路。它不停地重新計算路徑，最后計算出最佳路徑是從墻的另一側走，然后它就從我這兒飛走了。“
這個例子體現了“動態運動路徑規劃”在無人機上的應用，但是，這項研究其實不只是針對無人機，該技術可以應用在任何你想用的系統上。Allen博士說，船運和物流基礎設施等領域也可以從該技術獲益：
“你可以想象一個自動化運貨船，穿過一個繁忙的港口，停泊在自己的位置上，然后有一個自動化吊車，將集裝箱安全地卸貨至自動化卡車上，用于陸地運輸。這個基礎設施中的每個步驟都面臨不同的路徑規劃問題（貨船需要避開其他船只，吊車吊著大大的集裝箱不能與碼頭上其他集裝箱磕碰，卡車得在繁忙的市區道路上駕駛），但是，每一個不同的問題都可以用同一個框架來解決。只要將框架根據具體應用情景進行定制設置（就好像我們針對無人機系統進行了設置）。
“
當然，你也可以用于送貨無人機和攝像無人機。Allen博士說：“我相信，送貨無人機是馬上可以進行的應用，這會對消費者的購物行為有很大影響。運貨無人機的控制和規劃只是眾多需要面臨的問題之一；其他問題還包括探測和政策。”這都是些大問題。但是在頂尖科研領域內，聽見如此樂觀的態度還是非常新鮮。
Allen博士說，他之后會探索“自動汽車、無人機、火箭等領域的工作機會或者研究職位“。我們猜他會去搞火箭。不過在研究領域也還有很多探索空間，例如，如果將一大堆無人機扔向空中，讓它們自己互相配合來規劃路線，而不需要動態追蹤系統來指揮。
最后，IEEE的采訪向Allen博士提問說，網絡上無數不明真相的群眾都有一個問題，為什么這個斯坦福的博士要與無人機擊劍決斗，你想不想解釋一下：
“首先，我不是在打敗萬惡的終結者機器人。雖然我們在研究中使用機器學習，但是是為了完成些聽起來很無趣的日常任務，例如‘可接近性測試’。我們也沒有用機器學習來訓練機器人戰士，搞個無人機搏擊俱樂部神馬的。如果不是我們給了它更加聰明的算法，我們的機器人沒法自己變聰明。換句話說，機器是自動化的，但是還沒有學習如何自己變得更加自動化。“
這下，你們安心了吧。
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史海拾趣
對于單級PFC電路，網友可能還會有多種問題，以下是一些常見問題及其回答：
一、技術原理與特性
- 單級PFC電路的基本工作原理是什么？
- 回答：單級PFC電路通過共用一個開關管和一套PWM控制電路，同時實現功率因數校正（PFC）和對輸出電壓的調節。它通常由升壓型PFC級和DC-DC變換器組合而成，兩部分電路共用一個開關，通過控制開關的通斷，電路同時完成對AC輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。
- 單級PFC電路相比兩級PFC電路有哪些優缺點？
- 回答：優點包括電路結構簡單、成本較低、效率較高（在某些設計下）。缺點則在于PFC和對輸入電流諧波抑制的效果可能不如兩級PFC電路，且在某些應用中可能面臨安規問題。
二、設計與應用
- 如何設計單級PFC電路以滿足特定的功率因數要求？
- 回答：設計單級PFC電路以滿足特定功率因數要求時，需要考慮電感的選擇、開關管的選型、控制電路的設計以及反饋機制等因素。通過精確控制開關管的通斷時間和占空比，可以實現對輸入電流的整形，從而改善功率因數。此外，還可以采用有源鉗位和軟開關技術來進一步提高效率并降低開關損耗。
- 單級PFC電路在哪些應用場景中較為常見？
- 回答：單級PFC電路因其結構簡單、成本較低而廣泛應用于各種需要功率因數校正的電子設備中，如LED驅動電源、電源適配器、開關電源等。特別是在對成本有一定要求的場合，單級PFC電路更具競爭力。
三、故障與調試
- 單級PFC電路在調試過程中可能會遇到哪些常見問題？
- 回答：在調試單級PFC電路時，可能會遇到次級去電流檢測電阻過大、光耦供電電阻過大、比較器電流反饋電容過大等問題。這些問題可能導致PFC電路無法正常工作或性能下降。解決方法包括調整相關電阻和電容的數值、檢查電路連接是否正確、更換損壞的元件等。
- 如何診斷和解決單級PFC電路中的故障？
- 回答：診斷和解決單級PFC電路中的故障時，首先需要檢查電路中的保險絲是否熔斷、MOS管是否損壞或過熱、反饋控制元件是否失效以及負載是否存在故障等。通過逐一排查這些可能的問題點，可以定位故障原因并采取相應的修復措施。在檢修過程中，需要注意安全操作規范，避免觸碰高壓部位并斷開電源。
四、性能優化
- 如何優化單級PFC電路的性能？
- 回答：優化單級PFC電路的性能可以從多個方面入手，包括優化電感的設計以減小損耗、選擇合適的開關管和二極管以降低導通壓降和反向恢復時間、改進控制算法以提高控制精度和響應速度等。此外，還可以采用有源鉗位和軟開關技術來進一步降低開關損耗并提高整體效率。
- 單級PFC電路的效率如何提升？
- 回答：提升單級PFC電路的效率可以通過多種方法實現，包括優化電路拓撲結構、選用高效率的開關管和二極管、降低電路中的寄生參數和損耗、采用先進的控制算法等。此外，合理設計散熱系統以確保開關管和其他關鍵元件在正常工作溫度下運行也是提高效率的重要手段之一。
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