適用於小型移動機器人的 EdgeFlowNet：實現 1W 功率下 100FPS 的密集光流估計

Основные понятия

EdgeFlowNet 是一種適用於小型移動機器人的高效能、低延遲密集光流估計方法，它利用邊緣計算在功耗僅為 1.08W 的情況下實現了 100FPS 的處理速度，並在準確度上超越先前技術 20% 以上。

Аннотация

研究論文摘要

文獻資訊： Pinnama Raju, S. R. K., Singh, R., Velmurugan, M., & Sanket, N. J. (2024). EdgeFlowNet: 100FPS@1W Dense Optical Flow For Tiny Mobile Robots. IEEE Robotics and Automation Letters. https://doi.org/10.1109/LRA.2024.3496336

研究目標： 本研究旨在開發一種適用於小型四旋翼飛行器的人工智慧框架，使其能夠僅依靠機載感測和計算能力在複雜環境中導航。

方法： 研究人員提出了一種名為 EdgeFlowNet 的輕量級光流網路，該網路針對 Google Coral Edge TPU 進行了優化，能夠以 100Hz 的頻率運行，功耗僅為 1.08W。為了提高推理速度，研究人員採用了影像分塊技術，並設計了一種多尺度金字塔神經網路架構來提高準確度。該網路使用自監督不確定性和多尺度損失函數進行訓練。

主要發現： EdgeFlowNet 在模擬和真實環境中均展現出優異的性能。與先前技術相比，EdgeFlowNet 的速度提高了約 20 倍，準確度提高了 20% 以上。此外，EdgeFlowNet 在真實世界的導航任務中也表現出色，例如靜態障礙物避障、穿越未知縫隙和動態障礙物躲避。

主要結論： EdgeFlowNet 為小型移動機器人提供了一種高效、準確的密集光流估計解決方案，使其能夠在功耗受限的情況下執行複雜的導航任務。

意義： 這項研究推動了小型移動機器人領域的發展，為其在搜索和救援、環境監測等應用中提供了新的可能性。

局限性和未來研究方向： 未來研究可以探索基於任務需求動態選擇重疊和去重疊解析度的策略和架構，以進一步優化 EdgeFlowNet 的準確度和速度。

Статистика

EdgeFlowNet 在 Google Coral Edge TPU 上以 100FPS 的速度運行，功耗僅為 1.08W。
與先前技術相比，EdgeFlowNet 的速度提高了約 20 倍，準確度提高了 20% 以上。
EdgeFlowNet 在靜態障礙物避障任務中取得了 83.3% 的成功率。
EdgeFlowNet 在穿越未知縫隙任務中取得了 85.0% 的成功率。
EdgeFlowNet 在動態障礙物躲避任務中取得了 93.75% 的成功率。

Цитаты

"EdgeFlowNet is about 20× faster than the previous state-of-the-art approaches while improving accuracy by over 20% and using only 1.08W of power enabling advanced autonomy on palm-sized tiny mobile robots."

Ключевые выводы из

EdgeFlowNet: 100FPS@1W Dense Optical Flow For Tiny Mobile Robots

by Sai Ramana K... в arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14576.pdf

Дополнительные вопросы

EdgeFlowNet 如何與其他感測器數據融合以進一步提高機器人導航能力？

EdgeFlowNet 主要依賴光流資訊進行導航，但若要進一步提升機器人在複雜環境中的導航能力，則需要與其他感測器數據進行融合，以下列舉幾種可能的融合方式：

與深度資訊融合: 光流主要提供二維平面上的運動資訊，而深度感測器 (如 LiDAR、深度相機) 可以提供物體距離資訊。將 EdgeFlowNet 輸出的光流與深度資訊融合，可以更準確地估計障礙物的位置、形狀和運動軌跡，從而實現更可靠的避障和路徑規劃。

與慣性測量單元 (IMU) 數據融合: IMU 可以提供機器人的加速度和角速度等資訊，與光流資訊融合可以提高機器人姿態估計的準確性和魯棒性，尤其在光流資訊不可靠的情況下 (如光線不足或快速移動)。

與事件相機數據融合: 事件相機對光線變化非常敏感，可以提供高時間解析度的資訊。將 EdgeFlowNet 與事件相機數據融合，可以提高機器人在高速運動或光線變化劇烈環境下的感知能力。

與語義分割資訊融合: 語義分割可以識別圖像中不同物體的类别，例如行人、车辆、道路等。將 EdgeFlowNet 與語義分割資訊融合，可以使機器人更好地理解周圍環境，並做出更智能的決策，例如識別可通行區域、預測動態障礙物的運動軌跡等。

總之，將 EdgeFlowNet 與其他感測器數據融合可以彌補單一感測器的不足，提高機器人在複雜環境中的感知能力和導航性能。

如果將 EdgeFlowNet 應用於更複雜的環境（例如，具有動態光照條件或非剛性障礙物的環境）中，其性能會如何變化？

EdgeFlowNet 在動態光照條件或非剛性障礙物環境中會面臨一些挑戰，性能可能會下降，以下分析其原因及可能的解決方案：
1. 動態光照條件：

挑戰: 光流法假設場景亮度恆定，而動態光照會導致亮度變化，從而影響光流估計的準確性。
解決方案:

使用對光照變化魯棒的光流估計方法，例如基於特徵點匹配或深度學習的光流估計方法。
結合其他不受光照影響的感測器資訊，例如事件相機或 LiDAR。
使用數據增強技術，在訓練數據中加入不同光照條件下的圖像，提高模型的泛化能力。
2. 非剛性障礙物：

挑戰: EdgeFlowNet 主要針對剛性障礙物設計，而對於形狀會發生變化的非剛性障礙物 (如行人、布料)，其光流估計的準確性會下降，進而影響避障效果。
解決方案:

使用能夠處理非剛性形變的光流估計方法，例如基於深度學習的光流估計方法，可以學習更複雜的運動模式。
結合其他感測器資訊，例如深度相機或 LiDAR，可以更準確地估計非剛性障礙物的形狀和運動軌跡。
使用基於模型的方法，例如將障礙物建模為可變形的網格，並根據觀測數據更新模型參數，從而更準確地預測障礙物的運動。
總之， EdgeFlowNet 在更複雜的環境中會面臨挑戰，但可以通過改进算法、融合多传感器信息和采用更强大的训练数据等方法来提高其性能。

小型移動機器人的普及對社會和倫理將產生哪些影響？

小型移動機器人的普及將為社會帶來許多便利，但也存在一些潛在的倫理問題，需要我們認真思考和應對：
正面影響：

提高生活品質: 小型機器人可以協助完成各種任務，例如送貨、清潔、陪伴等，減輕人類負擔，提高生活品質。
促進經濟發展: 機器人產業的發展將創造新的就業機會，並推動相關產業的技術進步。
應對社會挑戰: 小型機器人可以在危險環境中執行任務，例如災難救援、環境監測等，幫助人類應對社會挑戰。
潛在的倫理問題：

隱私問題: 配備攝像頭的機器人在執行任務時可能會收集個人隱私信息，引發隱私洩露的風險。
安全問題: 機器人系統可能存在漏洞，遭到駭客攻擊，導致機器人失控，造成財產損失或人身傷害。
責任歸屬問題: 若機器人造成事故，如何界定機器人擁有者、使用者、開發者的責任歸屬，將是一個複雜的法律問題。
社會影響: 機器人取代部分人力工作，可能導致失業問題，需要提前做好應對措施，例如提供職業培訓，促進勞動力轉型。
應對方案:

制定完善的法律法規: 規範機器人的研發、生產、使用，明確責任歸屬，保護個人隱私和數據安全。
加強倫理道德教育: 提高公众对机器人伦理的认识，引导负责任地使用机器人。
推動技術發展: 研發更安全、可靠、可控的機器人系統，降低潛在風險。
總之， 小型移動機器人的普及是科技發展的必然趨勢，我們應積極應對挑戰，趨利避害，讓機器人更好地服務於人類社會。