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(guó)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(méi)有任何人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(wú)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(shì)。

一、人手短缺，工作環(huán)境惡劣，挖掘機(jī)市場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(kāi)障礙物，面對(duì)無(wú)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(lái)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(lái)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(kāi)展深入了研究。

AES 系統(tǒng)通過(guò)準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的算法來(lái)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(guò)除塵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（dedusting neural network）等先進(jìn)算法來(lái)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(chǎng)。有毒有害的垃圾場(chǎng)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(méi)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。”百度研究機(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(zhǎng)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(shuō)。

研究人員還在封閉測(cè)試場(chǎng)中設(shè)置了十種不同的場(chǎng)景，測(cè)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(cè)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(cè)試時(shí)，汽化（vaporization）會(huì)影響激光雷達(dá)的傳感性。

結(jié)語(yǔ)：低成本高效率，全自動(dòng)挖掘機(jī)未來(lái)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(guò)一段實(shí)拍視頻展現(xiàn)過(guò)無(wú)人自動(dòng)挖掘機(jī)。據(jù)悉，當(dāng)時(shí)的無(wú)人自動(dòng)挖掘機(jī)融合了三維視覺(jué)、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(chǎng)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(wú)人挖掘機(jī)的目標(biāo)任重道遠(yuǎn)。