據(jù)外媒 Tech Xplore 報(bào)道，百度機(jī)器人與自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室（ Research Robotics and Auto-Driving Lab，RAL）和美國馬里蘭大學(xué)帕克分校（University of Maryland, College Park）的研究人員昨日在《科學(xué)機(jī)器人（Science Robotics）》上宣布他們打造了一種新的自動(dòng)挖掘機(jī)系統(tǒng)（autonomous excavator system, AES）。
該系統(tǒng)可以讓挖掘機(jī)在沒有任何人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間自主物料裝載（material loading）作業(yè)，同時(shí) AES 還能提供與經(jīng)驗(yàn)豐富的人工操作員相當(dāng)?shù)墓ぷ餍省?/p>
AES 是世界上第一批可以落地現(xiàn)實(shí)的無人挖掘機(jī)系統(tǒng)之一，它可以讓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)以上不間斷作業(yè)。研究人員表示，它在提高挖掘機(jī)的安全性和生產(chǎn)力方面具有一定優(yōu)勢。
一、人手短缺，工作環(huán)境惡劣，挖掘機(jī)市場遇多重困境
挖掘機(jī)常應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、采礦和救援等領(lǐng)域。2018 年全球挖掘機(jī)市場規(guī)模為 441.2 億美元（約 2850 億人民幣），預(yù)計(jì)到 2026 年將增長至 631.4 億美元。
目前，世界各地的建筑公司都面臨著大型機(jī)械熟練的操作員人員短缺難題。不僅如此，部分挖掘機(jī)的作業(yè)環(huán)境還是危險(xiǎn)或是有毒，這些環(huán)境會(huì)對(duì)現(xiàn)場操作人員的健康和安全造成威脅，如中毒、塌方等挖掘事故。
目前，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都體型較小并且在較為穩(wěn)定的環(huán)境中工作，但是挖掘機(jī)類機(jī)器人不同。挖掘機(jī)常常需要在危險(xiǎn)環(huán)境條件下工作，這些機(jī)器人必須能夠自主識(shí)別目標(biāo)材料，避開障礙物，面對(duì)無法預(yù)估的作業(yè)環(huán)境。因此，研究人員正在尋求突破性解決方案來制造可以滿足這些需求的挖掘機(jī)機(jī)器人。
二、可運(yùn)行 24 小時(shí)以上，AES 利用激光雷達(dá)、AI 圖像實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)
隨著越來越多的人關(guān)注工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車等領(lǐng)域，研究人員對(duì) AES 等系統(tǒng)開展深入了研究。
AES 系統(tǒng)通過準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的算法來自主感知環(huán)境、規(guī)劃路線和控制機(jī)械。其中，它的感知模塊集成了多個(gè)傳感器 —— 包括激光雷達(dá)（LiDAR）、攝像頭和其它專用傳感器（proprioceptive sensors）。這些傳感器不但可以感知 3D 環(huán)境并識(shí)別目標(biāo)材料，而且它們還可以通過除塵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（dedusting neural network）等先進(jìn)算法來生成清晰的圖像。
為了評(píng)估 AES 系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性，研究人員還與一家設(shè)備制造公司合作，將搭載該系統(tǒng)的挖掘機(jī)部署在垃圾場。有毒有害的垃圾場對(duì)自動(dòng)化挖掘機(jī)具有強(qiáng)烈需求。實(shí)驗(yàn)表明，該挖掘機(jī)可以在沒有任何人工干預(yù)的情況下連續(xù)工作 24 小時(shí)以上。
“該系統(tǒng)提供了一種高效、穩(wěn)定、可通用的自主系統(tǒng)架構(gòu)。它可以讓不同規(guī)模的挖掘機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)自主執(zhí)行物料裝載?！卑俣妊芯繖C(jī)器人與自動(dòng)駕駛實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人張良軍博士表示。
搭載 AES 系統(tǒng)的小型挖掘機(jī)每小時(shí)挖掘量（the amount of materials excavated）為 67.1 立方米，這和人工操作員的工作效率相當(dāng)。“AES 系統(tǒng)可以在很長一段時(shí)間內(nèi)自主運(yùn)行，而人工操作員還有可能出現(xiàn)失誤”，張博士說。
研究人員還在封閉測試場中設(shè)置了十種不同的場景，測試該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中的相關(guān)任務(wù)中的表現(xiàn)情況。在對(duì)各種搭載 AES 系統(tǒng)的大、中和小型挖掘機(jī)進(jìn)行測試后，研究人員表示，搭載 AES 系統(tǒng)挖掘機(jī)每小時(shí)的挖掘量與人工操作員的平均效率相差不大。
但研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng) AES 還在冬季天氣條件下進(jìn)行測試時(shí)，汽化（vaporization）會(huì)影響激光雷達(dá)的傳感性。
結(jié)語：低成本高效率，全自動(dòng)挖掘機(jī)未來可期
全自動(dòng)挖掘機(jī)系統(tǒng)不但能夠減低工程作業(yè)成本，提高工程實(shí)施的效率，而且降低了在惡劣環(huán)境下操作員的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。
其實(shí)早在 2018 年，百度創(chuàng)始人李彥宏就曾通過一段實(shí)拍視頻展現(xiàn)過無人自動(dòng)挖掘機(jī)。據(jù)悉，當(dāng)時(shí)的無人自動(dòng)挖掘機(jī)融合了三維視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，同樣可實(shí)現(xiàn)自主行駛和作業(yè)。
盡管在市場和疫情的雙重推動(dòng)下，自動(dòng)挖掘機(jī)系統(tǒng)方興未艾，但目前很多全自動(dòng)挖掘機(jī)在建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用都還是試驗(yàn)性質(zhì)，真正大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用，甚至真正替代人工操作員，還有一段的路要走，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人挖掘機(jī)的目標(biāo)任重道遠(yuǎn)。
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