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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：
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他想买个自动弓箭「autobow」来赢过妻子 ， 但根本搜不到：
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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：
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不仅能射中固定靶盘 ， 移动的靶盘也不在话下：
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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：
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射中移动飞盘的箭运动轨迹：
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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：
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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：
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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：
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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：
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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：
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同时操纵把手还能旋转弓箭的方向：
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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......
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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：
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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：
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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 。
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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：
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不仅如此 ， 发射出去的箭也都打不到靶心 ， 全部偏向左上角：
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
【发射|闭眼都能射中，“百发百中”篮板作者又出新作：自动瞄准弓箭】
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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：
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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：
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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 。
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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：
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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：
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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：
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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：
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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
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_原题《闭眼都能射中 ， 「百发百中」篮板作者又出新作：自动瞄准弓箭》
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