射箭是一項”再簡單不過”的運動，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”一發命中、百步穿楊”那就非常有難度了，不經過長期的訓練是萬萬不行的。 那難道就沒有一種智慧的弓箭嗎？ 那種只要你拉滿弓，無需認真的瞄準，它就能自己射中目標的弓箭箭？

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後，箭是自己發射出去的，而且是連環命中！

這就是這兩天在Youtube上十分火爆的一個堪稱「百發百中」的射箭視頻，這位油管博主是一位硬核程式師，相信很多人並不陌生，他叫 Shane Wighton ，之前他自製的一個”理髮機器人”、”百發百中投籃”、”百發百中檯球杆”曾在 YouTube 上火了很多次。

這位硬核的博主目前在 3D 列印技術開發商和製造商 Formlabs 公司擔任首席工程師。 他之前就讀於北卡羅來納大學夏洛特分校，擁有機械工程學士學位和計算機科學碩士學位。

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，於是他想”作弊”來買一款能夠自動射箭的弓，可惜網上都沒有賣的，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 在穿戴這款弓箭機器人裝備之後，就沒有再費勁瞄準了，幾乎擁有了超能力，他射出去的箭就像狗一樣能聞到目標的味道，自主擊中目標。

可以說穿上這件衣服之後，比鷹眼還鷹眼！

弓箭機器人原理

這款弓箭機器人裝備大概需要瞄準和發射兩個過程。

我們先來看一下比較簡單的發射過程吧。

發射原理大概是這樣：一共有兩個小機器人，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，用來釋放弦並發射弓。 只要前面的瞄準工作做好之後，就會有個信號告訴伺服電機來實現發射工作。

看起來很簡單是吧？

別急，還是來看看下面比較難的瞄準工作吧，想要打造這樣的自動瞄準系統，首先，需要做出來一個弓瞄準機器。

像下面這樣，只要握住把手后，弓就能在一定範圍內自動地調整相應的位置和角度。

但射箭和打一束鐳射可不一樣。 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，也取決於發射的速度。 速度越快，這條拋物線越接近於直線，反之越接近於拋物線。

另外的困難還是在於精確地計算和掌控時間，當拋出一個飛靶時，也許射出的箭離集中靶心只差了50毫秒的時間，而50毫秒僅相當於眨眼瞬間的1/3，所以必須要精確地計算好距離、發射角度、發射時間來做提前射擊。

沒錯，你會說只需利用小學三年級學到的數學物理知識，不就足以能建模發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，實際的設計和製造卻是一個很大的挑戰。

比如弓具體在調整位置和方向時用到了 Shane 親自打造的「鷹眼」系統。

這套「鷹眼」系統一共利用了八個攝像頭，來找到一個中心，告訴弓相對於目標的位置以及其他很多座標。

可以看到上圖有一個小反光球，所有8個攝像機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，所有的攝像機都會在同一時間拍攝到這些小跟蹤球，並給出50個關於每個球的位置更新。

這樣，系統就能分析出箭應該指向的角度，以及拉弓的力度，進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」的程式來計算這些數據，由於代碼過於「簡單」，Shane 似乎羞於對此做詳細介紹。

Shane 試了試效果，按下系統啟動鍵，開始瞄準，發射！

結果非常棒！

額，會打到自己的臉。

而且，箭也沒法射中目標，每次都射到偏左上的位置。

怎麼辦？

既然每次都偏左上，那就往右下調偏差就行啦！

沒有什麼事情，是一行代碼搞不定的。

接下來，就是見證奇迹的時刻了。

Shane正式向妻子發起了挑戰。

比賽規則是：Shane 和他的妻子比賽三局，每人各射擊一箭，更準的人得一分。

結果是，Shane 一敗塗地。

Shane 不服氣，覺得還有改進的空間。

可是問題出在哪裡呢？

沒錯，箭還是有些偏。

他覺得，還是代碼的問題。

在經過一周的非常無聊的軟體開發和調試之後，全新的系統出來了。

這一次，他選擇了更難的任務，即以運動的靶子為目標。

弓已經拉好準備發射，按下按鈕之後，計算機啟動「鷹眼」跟蹤系統，每300毫秒發送一次數據，更新所有物體的位置。

當計算機看到目標時，它會檢查目標是否以拋物線運動，然後計算出它應該將箭指向何處，來射中目標，這其中會考慮箭移動到那裡的時間，和箭的拋物線路徑。

然後系統會開始調整弓的位置，隨著跟蹤數據的輸入不斷增加，弓會不斷地進行調整，以適應手的抖動。

之後當系統認為瞄準到了正確位置的時候，就會開始調整箭的角度。

然後，只要按下按鈕，箭就會發射出去。

咦？ 根本沒有射中。

再繼續改bug吧。

這時候，他的妻子已經不耐煩了，厭倦了他一遍又一遍地說只需要幾分鐘，結果卻花費了幾個小時來修改一個bug。

怎麼辦？ 陪妻子散步去嗎？

想多了。

沒見過技術宅？

他製造了一個自動彈射器，把妻子晾在一邊，然後盡情地自己玩耍。

在修改bug的過程中，他考慮了這些問題：為什麼箭發射得太早？ 為什麼箭發射得太晚？ 為什麼靶子靜止不動的時候沒有擊中目標？ 為什麼會擊偏？

儘管有這麼多錯誤，但這隻是時間問題。

現在，箭能擊中靜止不動的靶子了！

儘管還是不能擊中運動目標，但到目前為止，我們已經非常接近最終的目標了。

箭確實可以依照設定的拋物線來飛行。

但是箭並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。 ）

當然，他也說道，這種錯誤可以通過演算法來調整。

不過還有一種更加省事的方法——花錢買更貴的複合弓。

這種複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”戰鬥衣”，藉此用身體的力量來固定和支撐這把弓，好讓自己能夠輕鬆地操控。

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，戰鬥再次打響！

規則不變，還是看誰擊中的准，誰贏。

這一次他減緩了速度，並開啟了神槍手模式。

結果，三箭全中靶心！

而他的妻子一發未中！

3：0，遊戲結束。

Shane還說，他都完全沒有集中精力。

接下來，在小蘋果目標測試中，也完全沒問題！

甚至都不用看目標。

再接下來，就是移動目標的射擊了。

結果不出所料，一擊中的！

在這個過程中，瞄準系統不僅識別出了弓箭的位置，還識別和預測到了目標的運動軌跡。

看看這些被箭射中的地方有多密集。

為了測試系統到底能有多准，Shane 拿出了心愛的樂高小人，並在它頭上安裝了一個”小蘋果”，準備瞄準”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！

當然，這個系統也還沒達到十全十美的地步。

Shane說道，下一次，他想挑戰在150英尺（約45米）開外擊中樂高小人頭上的小蘋果。

要知道，室內射箭比賽的距離一般才18米，而奧運射箭項目，不過70米。

作者 | 青暮、陳大鑫

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