闭眼都能射中，“百发百中”篮板作者又出新作：自动瞄准弓箭

原创 Synced 机器之心

机器之心报道

编辑：小舟

我菜，但我可以造个「王者」。

还记得做「百发百中篮板」的小哥 Shane Wighton 吗？为投篮做了个，打台球做个，Wighton 的发明总能让他像开了挂一样，最近他又研究出新花样了——「百发百中」弓箭。

这次，Wighton 和妻子在家里比赛射箭，妻子非常擅长射箭，Wighton 凭借自己的实力输得很彻底：

他想买个自动弓箭「autobow」来赢过妻子，但根本搜不到：那...... 就自己做一个自动弓箭吧，百发百中那种！

Wighton 做成的弓箭叫「Auto-aiming bow」——自动瞄准弓箭。什么叫自动瞄准，就是眼睛不看镖靶，也能射中靶心：

不仅能射中固定靶盘，移动的靶盘也不在话下：这个能让 Wighton 闭眼都赢过妻子的弓箭是怎么实现的呢？

「百发百中」弓箭

首先，Wighton 观看了妻子射箭的视频，来分析箭离开弓之后的运动轨迹。箭的飞行轨迹不是一条直线，而是一条抛物线：

射中移动飞盘的箭运动轨迹：接下来就进入了弓箭的制作过程。Wighton 表示完成弓箭的射击大致需要两步：瞄准和发射。

发射部分比较简单。通常人们在射箭时需要一只手持弓另一只手拉弓，这个自动瞄准弓箭在弓与人的两只手之间都设置了自动操纵装置。第一阶段瞄准工作做好之后，伺服电机会收到一个发射信号，然后自动释放弦实现发射。

在持弓手和弓之间，有一个控制机器，用来移动弓的位置和角度；在拉弓手和弦之间，有一个小型操纵装置用来释放弦并发射箭：

然后我们来看下较为复杂的瞄准部分。Wighton 给弓箭设计了一个自动瞄准系统，并使弓箭可以绑定在人的手臂上。首先要完成的是这个系统的机械部分，Wighton 一通重工操作，从画图选材料到打磨工具再到接线一样不少，真够硬核的：然后把普通弓箭的元素（包括弓臂、弓弦等）加到瞄准装置上，自动瞄准弓箭的机械部分就是这样的：其中有一个非常关键的器件：释放弦的小机器人，它用一个伺服电机来驱动：原本拉弓的手将握住一个操纵把手，这个把手对后续实现自动瞄准很重要。机械部分中有 2 个能够上下、左右移动的线性轴来控制弓箭的瞄准位置：同时操纵把手还能旋转弓箭的方向：这里可以注意到，弓箭现在还不是自动瞄准，而是 Wighton 自己手持操纵把手控制着弓箭的发射位置和方向，Wighton 拿这个半成品自己尝试射了一下，然后脱靶了......接下来的任务就是构建一个完全自动瞄准的装置。如前文所述，箭的飞行轨迹是一条抛物线，因此要研究箭在空中的运动，弓弦给箭的力、箭的飞行速度、重力的影响、与靶心的距离等都是必须要考虑的因素。

他打造了一套「鹰眼」系统，这个系统有8个摄像机，相机的摄像头周围还有一圈光线灯：

通过这些摄像机可以得到弓相对于目标的位置。其中有一个非常重要的器件——反光球，在弓的前方和操纵把手以及靶盘的四周都安装了这种反光球：反光球的安装位置

鹰眼系统的作用机制大致如下：8 台摄像机可以同时拍摄到反光球，利用 8 台相机拍到的画面的就可以确定反光球的精确位置，Wighton 称这些反光小球为跟踪球。利用这种方法能够识别环境中物体（箭、靶盘等）的位置。

然后 Wighton 根据运动的原理编写了一段程序，来调整弓箭的精细位置和角度方向，控制箭的发射位置，拉满弓弦之后系统就会自动完成这种瞄准操作。然后按下发射按钮将箭发射出去。

理论上是这样，效果怎么样呢？Wighton 马上测试了一番...... 不好意思打到了自己：

不仅如此，发射出去的箭也都打不到靶心，全部偏向左上角：由于所有落在靶盘上的箭都在同一片区域，因此 Wighton 在代码中加了一个偏移量 INSANE_OFFSET_M，该偏移量是从中箭位置到靶心的位移，这样就能让所有落在这片区域的箭落在靶心了。看起来没什么问题，于是 Wighton 向妻子发起了挑战，结果 Wighton 再次以 0 : 3 输给了妻子。不过这次 Wighton 用自动瞄准弓箭射的箭距离靶心近了很多，Wighton 用游标卡尺再次测量了一下，然后又调了一番代码。调完之后他觉得既然获得了初步的成功，那就尝试更难一点的——射中飞盘。这种情况下，飞盘和箭都是运动的，并且飞盘的运动轨迹也是一条抛物线。此时系统的工作原理是：系统会检测目标物体（靶盘等）是否在沿抛物线运动。然后再运用运动学的原理，分别计算运动靶盘（安装有跟踪球）和箭的运动轨迹、运动时间，然后计算出箭恰好能击中靶盘的时间点（可能有多个）。然后系统会像击中固定靶盘一样识别环境中物体（包括弓箭、飞盘等）的位置，按下按钮后发射箭，这样自动瞄准弓箭就能射中运动的飞盘了。

接下来，Wighton 想要多次进行测试并不断改进，他让妻子帮忙扔飞盘，但是前几次都失败了。妻子渐渐失去了耐心，不想帮 Wighton 扔飞盘了，于是 Wighton 又给飞盘做了一个自动弹射器。

然后，Wighton 发现自己每次射箭都必然会偏一点，因为他用的弓不对。他用的弓叫作反曲弓，这种弓有一个特点就是箭射出之后会偏一点：但是它的优点是便宜，因为能避免射偏的复合弓价格是这样的：不过为了能做到「百发百中」，Wighton 还是买了一个复合弓，并和自动瞄准发射系统组装在了一起。但由于复合弓太重了，「绑定在手臂上」这个设置就不够用了，于是 Wighton 又做了一套「战斗衣」，把弓箭「穿」在了身上。这下装备完整了，赶快来测试一下吧。Wighton 又和妻子进行了一场比赛，这次 Wighton 3 箭全部射中靶心，以 3:0 完胜妻子：然后 Wighton 又用小水果和移动飞盘进行了测试，结果全部射中，甚至眼睛不看目标都能射中：值得一提的是，在射中飞盘的过程中，自动瞄准系统不仅能够识别环境中各个物体的位置，还预测出了飞盘的运动轨迹：最后，为了测试这个「百发百中弓箭」到底有多准，Wighton 又拿出来一个极小的乐高小玩具（上方有一个发光球）来测试，结果也能够射中：真 · 百发百中了！

Shane Wighton 是谁？

Shane Wighton 毕业于北卡罗来纳大学夏洛特分校，获得了机械工程学士学位和计算机科学硕士学位。他目前在 3D 打印技术开发商和制造商 Formlabs 公司担任首席工程师，热爱制作东西。曾发表专利：Additive fabrication support structures（增材制造支持结构）。Wighton 于 2020 年 3 月开通了自己的 YouTube 频道，现在已经有了 319 万的订阅者。他在 YouTube 频道简介中写道：「我希望能有更多的人像我一样享受工程、制造带来的乐趣。」

如果你想了解 Shane Wighton 的更多奇思妙想，可以单击以下链接或参考文章。

Shane Wighton 的个人频道：https://www.youtube.com/channel/UCj1VqrHhDte54oLgPG4xpuQ

往期集锦：

原视频链接：https://www.youtube.com/watch?v=1MkrNVic7pw

© THE END

转载请联系本公众号获得授权

投稿或寻求报道：content@jiqizhixin.com

原标题：《闭眼都能射中，「百发百中」篮板作者又出新作：自动瞄准弓箭》

阅读原文