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沒有 GPS,怎麼知道朝哪邊

這一頁是飛行回放。

場景
靠什麼認方向
方向估錯幾度(推算的方向 − 模擬器知道的正確答案,°)
0.00 s

虛線走廊左右各寬 5 公尺,終點在沿路線 20 公尺處。粗點 = 正在急轉閃避(急閃);✕ = 撞上或飛出走廊;旗 = 抵達。

影片:同一個場景,兩種認方向的做法

左上是從後面跟拍無人機的 3D 畫面,黃線是走廊的邊界。左下是腦看到的兩眼相機畫面。右邊每個點是一顆神經細胞,亮起來表示它正在放電(送出訊號);這裡畫的是這次用到的那一部分腦,共 11,485 顆。畫面底部標出方向估錯幾度,以及偏離走廊多遠。影片是 1× 真實時間。

只用陀螺儀(量轉動的感測器) 陀螺儀靜止時也會每秒多算 1.28 度,誤差一路累積,12 秒時已經差了 21 度,飛出走廊。
陀螺儀 + 看天空認方向的羅盤 羅盤每 0.1 秒校正一次,誤差壓在幾度內,留在走廊裡抵達終點。

文字說明

這一頁在講什麼

這一頁是飛行回放。無人機要朝指定的方向穿過柱子林,路線兩旁用虛線畫出一條走廊。途中有陣風把機頭吹歪。沒有 GPS、沒有磁羅盤,它要怎麼知道自己朝著哪一邊?三種做法在同一個場景各飛一次。三種做法裡,閃柱子都由真腦(照真果蠅的接線)負責。

完美航向

完美航向=直接把正確的方向告訴負責控制飛行的程式(航向就是機頭朝的方向)。這是成績的上限,真機(真的無人機)不可能有。
只用陀螺儀=把陀螺儀每一刻量到的轉動速度一直加起來。問題是陀螺儀在完全靜止時,也會以為自己在慢慢轉。這種靜止時也會多算的誤差,這裡是每秒 1.28 度。小誤差一路累積,十幾秒後就差了二十幾度,路線慢慢彎出走廊。
陀螺儀 + 偏振羅盤(看天空認方向的羅盤)=一樣把陀螺儀的讀數加起來,但每 0.1 秒看一次天空的偏振光來校正。偏振光是太陽光在天空形成的固定圖樣,昆蟲靠它認方向。這裡用的是照一篇 2019 年論文重做的數學模型,不是果蠅腦的接線。機身歪超過 5° 時,偏振光的讀數不可靠,那一次就跳過不校正。

這 4 個場景是從正式的那一批實驗裡挑的,都是「只用陀螺儀會飛出走廊、另外兩種做法抵達」的例子。重飛一次的結果,和正式結果每個場景都相同。

認方向的是人寫的程式,不是果蠅腦。判斷自己朝哪一邊的,是另外寫的程式,不是果蠅腦的接線。果蠅腦裡其實有一個指南針迴路:頭轉到哪,環上的活動亮點就跟著轉。我們試過用真腦重現它,但沒有成功:沒有一組能同時做到「跟得上轉、蒙眼記得住、蒙眼能繼續轉」這三件事。所以這裡認方向用的是人寫的程式。

文字說明

給想查原始紀錄的人:這一頁對應實驗 M4h;按鈕上的 seed 就是場景編號,影片是 seed 3067。