爆火！博主打造百发百中自动瞄准弓箭：比鹰眼还鹰眼
射箭是一項“再簡單不過”的運(yùn)動，前提是不求彎弓射大雕，但求箭能射在靶上就行。
但是如果想做到“一發(fā)命中、百步穿楊”那就非常有難度了，不經(jīng)過長期的訓(xùn)練是萬萬不行的。
還別說，今天它真就有了，直接上圖！
請注意哈，在上圖中這位小哥把弓拉開之后，箭是自己發(fā)射出去的，而且是連環(huán)命中！
這就是這兩天在 Youtube 上十分火爆的一個堪稱“百發(fā)百中”的射箭視頻，這位油管博主是一位硬核程序員，相信很多人并不陌生，他叫 Shane Wighton ，之前他自制的一個“理發(fā)機(jī)器人”、“百發(fā)百中投籃”、“百發(fā)百中臺球桿”曾在 YouTube 上火了很多次。
這位硬核的博主目前在 3D 打印技術(shù)開發(fā)商和制造商 Formlabs 公司擔(dān)任首席工程師。他之前就讀于北卡羅來納大學(xué)夏洛特分校，擁有機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位和計算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位。
本次事情的起因是這樣的，Shane Wighton 的妻子很擅長射箭，Shane 卻在這方面“笨手笨腳”，Shane 比之不過，于是他想“作弊”來買一款能夠自動射箭的弓，可惜網(wǎng)上都沒有賣的，無奈之下，他只好決定親自動手打造一款出來。
因為 Shane Wighto 雖然不擅長射箭等運(yùn)動技能，但是他很有極客精神，很擅長動手做工程。
Shane Wighto 在穿戴這款弓箭機(jī)器人裝備之后，就沒有再費(fèi)勁瞄準(zhǔn)了，幾乎擁有了超能力，他射出去的箭就像狗一樣能聞到目標(biāo)的味道，自主擊中目標(biāo)。
可以說穿上這件衣服之后，比鷹眼還鷹眼！
這款弓箭機(jī)器人裝備大概需要瞄準(zhǔn)和發(fā)射兩個過程。
我們先來看一下比較簡單的發(fā)射過程吧。
發(fā)射原理大概是這樣：一共有兩個小機(jī)器人，一個在持弓手和弓之間，用來移動弓的位置和角度；一個在拉弓手和弦之間，用來釋放弦并發(fā)射弓。只要前面的瞄準(zhǔn)工作做好之后，就會有個信號告訴伺服電機(jī)來實現(xiàn)發(fā)射工作。
看起來很簡單是吧？
別急，還是來看看下面比較難的瞄準(zhǔn)工作吧，想要打造這樣的自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，首先，需要做出來一個弓瞄準(zhǔn)機(jī)器。
像下面這樣，只要握住把手后，弓就能在一定范圍內(nèi)自動地調(diào)整相應(yīng)的位置和角度。
但射箭和打一束激光可不一樣。首先箭的飛行軌跡不是一條直線，而是拋物線。而這條拋物線的彎曲形狀，也取決于發(fā)射的速度。速度越快，這條拋物線越接近于直線，反之越接近于拋物線。
另外的困難還是在于精確地計算和掌控時間，當(dāng)拋出一個飛靶時，也許射出的箭離集中靶心只差了50毫秒的時間，而50毫秒僅相當(dāng)于眨眼瞬間的1/3，所以必須要精確地計算好距離、發(fā)射角度、發(fā)射時間來做提前射擊。
沒錯，你會說只需利用小學(xué)三年級學(xué)到的數(shù)學(xué)物理知識，不就足以能建模發(fā)射出箭的拋物線方程了嘛。
看起來核心思想非常簡單嘛，但是，實際的設(shè)計和制造卻是一個很大的挑戰(zhàn)。
比如弓具體在調(diào)整位置和方向時用到了 Shane 親自打造的“鷹眼”系統(tǒng)。
這套“鷹眼”系統(tǒng)一共利用了八個攝像頭，來找到一個中心，告訴弓相對于目標(biāo)的位置以及其他很多坐標(biāo)。
可以看到上圖有一個小反光球，所有 8 個攝像機(jī)都在同一時間拍攝到它，這樣就能精確地來計算出小球的位置，這整個過程非常的快，一秒鐘能拍50幀。
這些小球叫做跟蹤球，被安裝在弓的前方和拉弓手的手持部件上。
小跟蹤球不止一個，所有的攝像機(jī)都會在同一時間拍攝到這些小跟蹤球，并給出50個關(guān)于每個球的位置更新。
這樣，系統(tǒng)就能分析出箭應(yīng)該指向的角度，以及拉弓的力度，進(jìn)而計算出箭射出后的拋物線。
Shane 聲稱自己寫了一個非常“簡單”的程序來計算這些數(shù)據(jù)，由于代碼過于“簡單”，Shane 似乎羞于對此做詳細(xì)介紹。
Shane 試了試效果，按下系統(tǒng)啟動鍵，開始瞄準(zhǔn)，發(fā)射！
結(jié)果非常棒！
額，會打到自己的臉。
而且，箭也沒法射中目標(biāo)，每次都射到偏左上的位置。
怎么辦？
既然每次都偏左上，那就往右下調(diào)偏差就行啦！
沒有什么事情，是一行代碼搞不定的。
接下來，就是見證奇跡的時刻了。
Shane正式向妻子發(fā)起了挑戰(zhàn)。
比賽規(guī)則是：Shane 和他的妻子比賽三局，每人各射擊一箭，更準(zhǔn)的人得一分。
結(jié)果是，Shane 一敗涂地。
Shane 不服氣，覺得還有改進(jìn)的空間。
可是問題出在哪里呢？
沒錯，箭還是有些偏。
他覺得，還是代碼的問題。
在經(jīng)過一周的非常無聊的軟件開發(fā)和調(diào)試之后，全新的系統(tǒng)出來了。
這一次，他選擇了更難的任務(wù)，即以運(yùn)動的靶子為目標(biāo)。
弓已經(jīng)拉好準(zhǔn)備發(fā)射，按下按鈕之后，計算機(jī)啟動“鷹眼”跟蹤系統(tǒng)，每300毫秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)，更新所有物體的位置。
當(dāng)計算機(jī)看到目標(biāo)時，它會檢查目標(biāo)是否以拋物線運(yùn)動，然后計算出它應(yīng)該將箭指向何處，來射中目標(biāo)，這其中會考慮箭移動到那里的時間，和箭的拋物線路徑。
然后系統(tǒng)會開始調(diào)整弓的位置，隨著跟蹤數(shù)據(jù)的輸入不斷增加，弓會不斷地進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)手的抖動。
之后當(dāng)系統(tǒng)認(rèn)為瞄準(zhǔn)到了正確位置的時候，就會開始調(diào)整箭的角度。
然后，只要按下按鈕，箭就會發(fā)射出去。
咦？根本沒有射中。
再繼續(xù)改bug吧。
這時候，他的妻子已經(jīng)不耐煩了，厭倦了他一遍又一遍地說只需要幾分鐘，結(jié)果卻花費(fèi)了幾個小時來修改一個bug。
怎么辦？陪妻子散步去嗎？
想多了。
沒見過技術(shù)宅？
他制造了一個自動彈射器，把妻子晾在一邊，然后盡情地自己玩耍。
在修改bug的過程中，他考慮了這些問題：為什么箭發(fā)射得太早？為什么箭發(fā)射得太晚？為什么靶子靜止不動的時候沒有擊中目標(biāo)？為什么會擊偏？
盡管有這么多錯誤，但這只是時間問題。
現(xiàn)在，箭能擊中靜止不動的靶子了！
盡管還是不能擊中運(yùn)動目標(biāo)，但到目前為止，我們已經(jīng)非常接近最終的目標(biāo)了。
箭確實可以依照設(shè)定的拋物線來飛行。
但是箭并沒有足夠漂亮的飛行軌跡，反而歪歪扭扭的。
這時 Shane 想到，他目前一直使用的都是反曲弓，這種弓有一個問題——不能直接對著靶心射過去，得偏一點兒才行。（Shane 最初考慮使用這種弓也是因為它是最便宜的。）
當(dāng)然，他也說道，這種錯誤可以通過算法來調(diào)整。不過還有一種更加省事的方法——花錢買更貴的復(fù)合弓。這種復(fù)合弓射出的箭的軌跡非常筆直，他說道，這其實有點作弊嫌疑，但普通人用這把弓就能百發(fā)百中嗎？哈哈，也不見得。何況，我們還有更花的玩法。
這種弓有一個缺點是非常的重。所以，他一怒之下做了一套“戰(zhàn)斗衣”，借此用身體的力量來固定和支撐這把弓，好讓自己能夠輕松地操控。
鷹眼，完成！
是時候把氣走的妻子哄回來了。
妻子驚呼，你這穿的是啥？鋼鐵俠？少廢話，戰(zhàn)斗再次打響！規(guī)則不變，還是看誰擊中的準(zhǔn)，誰贏。這一次他減緩了速度，并開啟了神槍手模式。結(jié)果，三箭全中靶心！而他的妻子一發(fā)未中！
3:0，游戲結(jié)束。Shane還說，他都完全沒有集中精力。
接下來，在小蘋果目標(biāo)測試中，也完全沒問題！甚至都不用看目標(biāo)。
再接下來，就是移動目標(biāo)的射擊了。結(jié)果不出所料，一擊中的！
在這個過程中，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)不僅識別出了弓箭的位置，還識別和預(yù)測到了目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。
看看這些被箭射中的地方有多密集。
為了測試系統(tǒng)到底能有多準(zhǔn)，Shane 拿出了心愛的樂高小人，并在它頭上安裝了一個“小蘋果”，準(zhǔn)備瞄準(zhǔn)“小蘋果”。
一開始不是很順利，但最終，樂高小人被成功擊中了。
“小蘋果”不見了，是不是剛好被擊中了呢？慢鏡頭顯示，擊中的位置是小人的心臟。
我們再試一次。啊哈！
當(dāng)然，這個系統(tǒng)也還沒達(dá)到十全十美的地步。Shane說道，下一次，他想挑戰(zhàn)在150英尺（約45米）開外擊中樂高小人頭上的小蘋果。要知道，室內(nèi)射箭比賽的距離一般才18米，而奧運(yùn)射箭項目，不過70米。
總結(jié)
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