国外小哥打造“百发百中”自动瞄准弓箭，闭上眼睛也能射中

射箭是一项“再简单不过”的运动，前提是不求弯弓射大雕，但求箭能射在靶上就行。但是如果想做到“一发命中、百步穿杨”那就非常有难度了，不经过长期的训练是万万不行的。那难道就没有一种智能的弓箭吗？那种只要你拉满弓，无需认真的瞄准，它就能自己射中目标的弓箭箭？还别说，今天它真就有了，直接上图！请注意哈，在上图中这位小哥把弓拉开之后，箭是自己发射出去的，而且是连环命中！这就是这两天在Youtube上十分火爆的一个堪称“百发百中”的射箭视频，这位油管博主是一位硬核程序员，相信很多人并不陌生，他叫ShaneWighton，之前他自制的一个“理发机器人”、“百发百中投篮”、“百发百中台球杆”曾在YouTube上火了很多次。这位硬核的博主目前在3D打印技术开发商和制造商Formlabs公司担任首席工程师。他之前就读于北卡罗来纳大学夏洛特分校，拥有机械工程学士学位和计算机科学硕士学位。本次事情的起因是这样的，ShaneWighton的妻子很擅长射箭，Shane却在这方面“笨手笨脚”，Shane比之不过，于是他想“作弊”来买一款能够自动射箭的弓，可惜网上都没有卖的，无奈之下，他只好决定亲自动手打造一款出来。因为ShaneWighto虽然不擅长射箭等运动技能，但是他很有极客精神，很擅长动手做工程。ShaneWighto在穿戴这款弓箭机器人装备之后，就没有再费劲瞄准了，几乎拥有了超能力，他射出去的箭就像狗一样能闻到目标的味道，自主击中目标。可以说穿上这件衣服之后，比鹰眼还鹰眼！弓箭机器人原理这款弓箭机器人装备大概需要瞄准和发射两个过程。我们先来看一下比较简单的发射过程吧。发射原理大概是这样：一共有两个小机器人，一个在持弓手和弓之间，用来移动弓的位置和角度；一个在拉弓手和弦之间，用来释放弦并发射弓。只要前面的瞄准工作做好之后，就会有个信号告诉伺服电机来实现发射工作。看起来很简单是吧？别急，还是来看看下面比较难的瞄准工作吧，想要打造这样的自动瞄准系统，首先，需要做出来一个弓瞄准机器。像下面这样，只要握住把手后，弓就能在一定范围内自动地调整相应的位置和角度。但射箭和打一束激光可不一样。首先箭的飞行轨迹不是一条直线，而是抛物线。而这条抛物线的弯曲形状，也取决于发射的速度。速度越快，这条抛物线越接近于直线，反之越接近于抛物线。另外的困难还是在于精确地计算和掌控时间，当抛出一个飞靶时，也许射出的箭离集中靶心只差了50毫秒的时间，而50毫秒仅相当于眨眼瞬间的1/3，所以必须要精确地计算好距离、发射角度、发射时间来做提前射击。没错，你会说只需利用小学三年级学到的数学物理知识，不就足以能建模发射出箭的抛物线方程了嘛。看起来核心思想非常简单嘛，但是，实际的设计和制造却是一个很大的挑战。比如弓具体在调整位置和方向时用到了Shane亲自打造的“鹰眼”系统。这套“鹰眼”系统一共利用了八个摄像头，来找到一个中心，告诉弓相对于目标的位置以及其他很多坐标。可以看到上图有一个小反光球，所有8个摄像机都在同一时间拍摄到它，这样就能精确地来计算出小球的位置，这整个过程非常的快，一秒钟能拍50帧。这些小球叫做跟踪球，被安装在弓的前方和拉弓手的手持部件上。小跟踪球不止一个，所有的摄像机都会在同一时间拍摄到这些小跟踪球，并给出50个关于每个球的位置更新。这样，系统就能分析出箭应该指向的角度，以及拉弓的力度，进而计算出箭射出后的抛物线。Shane声称自己写了一个非常“简单”的程序来计算这些数据，由于代码过于“简单”，Shane似乎羞于对此做详细介绍。Shane试了试效果，按下系统启动键，开始瞄准，发射！结果非常棒！额，会打到自己的脸。而且，箭也没法射中目标，每次都射到偏左上的位置。怎么办？既然每次都偏左上，那就往右下调偏差就行啦！没有什么事情，是一行代码搞不定的。接下来，就是见证奇迹的时刻了。Shane正式向妻子发起了挑战。比赛规则是：Shane和他的妻子比赛三局，每人各射击一箭，更准的人得一分。结果是，Shane一败涂地。Shane不服气，觉得还有改进的空间。可是问题出在哪里呢？没错，箭还是有些偏。他觉得，还是代码的问题。在经过一周的非常无聊的软件开发和调试之后，全新的系统出来了。这一次，他选择了更难的任务，即以运动的靶子为目标。弓已经拉好准备发射，按下按钮之后，计算机启动“鹰眼”跟踪系统，每300毫秒发送一次数据，更新所有物体的位置。当计算机看到目标时，它会检查目标是否以抛物线运动，然后计算出它应该将箭指向何处，来射中目标，这其中会考虑箭移动到那里的时间，和箭的抛物线路径。然后系统会开始调整弓的位置，随着跟踪数据的输入不断增加，弓会不断地进行调整，以适应手的抖动。之后当系统认为瞄准到了正确位置的时候，就会开始调整箭的角度。然后，只要按下按钮，箭就会发射出去。咦？根本没有射中。再继续改bug吧。这时候，他的妻子已经不耐烦了，厌倦了他一遍又一遍地说只需要几分钟，结果却花费了几个小时来修改一个bug。怎么办？陪妻子散步去吗？想多了。没见过技术宅？他制造了一个自动弹射器，把妻子晾在一边，然后尽情地自己玩耍。在修改bug的过程中，他考虑了这些问题：为什么箭发射得太早？为什么箭发射得太晚？为什么靶子静止不动的时候没有击中目标？为什么会击偏？尽管有这么多错误，但这只是时间问题。现在，箭能击中静止不动的靶子了！尽管还是不能击中运动目标，但到目前为止，我们已经非常接近最终的目标了。箭确实可以依照设定的抛物线来飞行。但是箭并没有足够漂亮的飞行轨迹，反而歪歪扭扭的。这时Shane想到，他目前一直使用的都是反曲弓，这种弓有一个问题——不能直接对着靶心射过去，得偏一点儿才行。（Shane最初考虑使用这种弓也是因为它是最便宜的。）当然，他也说道，这种错误可以通过算法来调整。不过还有一种更加省事的方法——花钱买更贵的复合弓。这种复合弓射出的箭的轨迹非常笔直，他说道，这其实有点作弊嫌疑，但普通人用这把弓就能百发百中吗？哈哈，也不见得。何况，我们还有更花的玩法。这种弓有一个缺点是非常的重。所以，他一怒之下做了一套“战斗衣”，借此用身体的力量来固定和支撑这把弓，好让自己能够轻松地操控。鹰眼，完成！是时候把气走的妻子哄回来了。妻子惊呼，你这穿的是啥？钢铁侠？少废话，战斗再次打响！规则不变，还是看谁击中的准，谁赢。这一次他减缓了速度，并开启了神枪手模式。结果，三箭全中靶心！而他的妻子一发未中！3:0，游戏结束。Shane还说，他都完全没有集中精力。接下来，在小苹果目标测试中，也完全没问题！甚至都不用看目标。再接下来，就是移动目标的射击了。结果不出所料，一击中的！在这个过程中，瞄准系统不仅识别出了弓箭的位置，还识别和预测到了目标的运动轨迹。看看这些被箭射中的地方有多密集。为了测试系统到底能有多准，Shane拿出了心爱的乐高小人，并在它头上安装了一个“小苹果”，准备瞄准“小苹果”。一开始不是很顺利，但最终，乐高小人被成功击中了。“小苹果”不见了，是不是刚好被击中了呢？慢镜头显示，击中的位置是小人的心脏。我们再试一次。啊哈！当然，这个系统也还没达到十全十美的地步。Shane说道，下一次，他想挑战在150英尺（约45米）开外击中乐高小人头上的小苹果。要知道，室内射箭比赛的距离一般才18米，而奥运射箭项目，不过70米。