編者按：

2022世界機(jī)器人大會(huì)主論壇群星璀璨，產(chǎn)、學(xué)、研各領(lǐng)域大咖齊聚首，共話巔峰，為機(jī)器人未來發(fā)展領(lǐng)航。

峰會(huì)現(xiàn)場，浙江大學(xué)博士生導(dǎo)師、FAST實(shí)驗(yàn)室技術(shù)負(fù)責(zé)人高飛發(fā)表了題為《空中機(jī)器人自主導(dǎo)航與集群技術(shù)》的演講。以下為高飛演講內(nèi)容的整理。

我的報(bào)告從以下七部分展開內(nèi)容，首先是研究背景。

在研究背景里我想給大家介紹一下空中機(jī)器人、無人機(jī)怎么脫離航模玩具范疇，完成自主性和智能性。這里無人機(jī)裝了智能傳感器，靠眼睛定位獲取環(huán)境信息，獲得對環(huán)境理解，在大腦機(jī)載計(jì)算芯片完成自己角色規(guī)劃。可以看到這時(shí)候飛機(jī)自主飛起來進(jìn)行懸空狀態(tài)，之后往前飛，躲避過程中所有障礙物，通過機(jī)載電腦完成，沒有任何外部支持和外部計(jì)算和人為操作，要靠眼睛和大腦完成感知和規(guī)劃，會(huì)飛到我面前。

對于集群系統(tǒng)來說，當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究更是比較初級(jí)階段。接下來我將介紹我們團(tuán)隊(duì)在這兩年內(nèi)，不依靠任何外部信息情況下，如何一步步進(jìn)行技術(shù)積累和迭代，最后形成真正自主地飛行集群。

首先我們團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究無人機(jī)飛行過程快速軌跡重規(guī)化。為什么要建稠密三維地圖？后續(xù)工作根據(jù)視覺感知到的信息得到點(diǎn)云地圖，不需要對地圖進(jìn)行固處理，得到離散或者某種抽象表達(dá)，直接依據(jù)傳感器原始點(diǎn)云信息可以規(guī)劃出高質(zhì)量信息完成對線抵達(dá)。接下來重點(diǎn)研究了大機(jī)動(dòng)、大姿態(tài)、高速情況下實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃，自然跟高速規(guī)劃相對應(yīng)還需要解決控制問題。之前學(xué)術(shù)界可以解，他們解這樣軌跡需要幾分鐘、幾小時(shí)，我們的算法做到幾十毫秒解決軌跡，并且可以飛出來，這個(gè)工作是今年發(fā)表機(jī)器人頂級(jí)期刊上。

單機(jī)靜態(tài)環(huán)境下，基本解決自主性和智能性問題基礎(chǔ)上，需要給場景加動(dòng)態(tài)元素，一個(gè)很典型事例是讓無人機(jī)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)、跟蹤一個(gè)用戶，這里是我們做目標(biāo)性跟隨工作，我們只需要通過機(jī)載攝像頭，不需要任何外部標(biāo)識(shí)，跟神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)耦合固態(tài)提取，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行未來運(yùn)動(dòng)預(yù)測完成跟蹤。完成跟蹤還要降落，小無人機(jī)希望像自然界鳥類一樣到降落平面和高速俯沖下去，重點(diǎn)解決軌跡規(guī)劃和控制問題和目標(biāo)感知問題。完成跟蹤、俯沖和降落，還要完成高動(dòng)態(tài)目標(biāo)自動(dòng)航拍，應(yīng)用來源是對跟拍的本質(zhì)需求——希望一個(gè)小型無人機(jī)進(jìn)行拍攝任務(wù)，我們可以完成盡可能接近用戶期望的航拍。

無人機(jī)最大瓶頸在于續(xù)航，螺旋槳提供推力做工，最重要做工是抵消重力做工。

我們做了無人機(jī)設(shè)計(jì)，有很多發(fā)揮想象力的空間，我這里還選取了最有想象力代表性的工作。我們最近做了可以伸縮環(huán)形無人機(jī)，小無人機(jī)可以變大變小，通過狹小空間做機(jī)動(dòng)性，更大半徑效率更高和運(yùn)行時(shí)間更長。它還可以搬運(yùn)，這也是有趣的應(yīng)用。我們已經(jīng)做了無人機(jī)空中到地面狀態(tài)模態(tài)切換，我們已經(jīng)可以又可以飛又可以跑的無人機(jī)，說明技術(shù)在地面無人系統(tǒng)、無人車無縫銜接，對于機(jī)器人專業(yè)從業(yè)者很好理解，我們里面解決都是感知、定位、規(guī)劃控制，通用機(jī)器人自主導(dǎo)航的問題。最近提出了乘用無人車對阿克曼模型，效率最高，并且保持最優(yōu)5G求解效率地面提升的飯碗。這里是簡單對比，這個(gè)有點(diǎn)偏學(xué)術(shù)。

最后《Robotics》并且作為封面文章發(fā)表的，我們叫全自主微型無人機(jī)，自主無人機(jī)系統(tǒng)。我們工作由我面前三架小飛機(jī)構(gòu)成，實(shí)際系統(tǒng)機(jī)體集群力和機(jī)體個(gè)數(shù)更高。我們有什么特點(diǎn)？第一機(jī)器人很小又很聰明，可以自主避障、自衛(wèi)定位像小精靈一樣。定位和感知依靠的是機(jī)載攝像頭和非控制芯片慣性導(dǎo)航單元。小無人機(jī)本身硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)也是由實(shí)驗(yàn)室自己完成的，小飛機(jī)有了骨架和底層非控制芯片，我們需要選擇合適大腦，大腦里進(jìn)行最主要定位、感知、規(guī)劃和算法運(yùn)行。有了單機(jī)系統(tǒng)可以完成全自主的任務(wù)，我們要搭配集群的架構(gòu)，在集群上面，最重要是給一定用戶拓展和執(zhí)行各種任務(wù)可能性的能力。

我們集群是全分布式集群，各自計(jì)算各自關(guān)鍵計(jì)算，確保了集群分布式的自主性。有時(shí)候需要協(xié)同性，集群運(yùn)動(dòng)整體上可以達(dá)成共識(shí)，這里同樣借助數(shù)學(xué)工具，主要借助圖理論相似性的工具。在定位和感知方面，我們小飛機(jī)依靠機(jī)載視覺和每一個(gè)機(jī)載UWB芯片(小無線電輸放裝置)，通過小裝置在每兩個(gè)飛機(jī)完成很小數(shù)據(jù)量通信，并且用無線電進(jìn)行粗略測距，集群整體定位把所有小飛機(jī)直覺定位和無線電測距收集起來，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化收解，達(dá)成定位校正。我們跟業(yè)內(nèi)最優(yōu)算法比，效率和最優(yōu)性等等有很大優(yōu)勢。

最后是方法功能展示，最有代表性的實(shí)驗(yàn)是浙江非常有中國特色，這是《臥虎藏龍》拍攝地。針對非常復(fù)雜的環(huán)境，大家可以看到在這樣實(shí)驗(yàn)場景，小飛機(jī)是全部自主的，并且沒有中心式計(jì)算單元，靠自己小小大腦可以完成所有感知協(xié)同避障任務(wù)，并且飛行過程中視頻下方顯示聯(lián)合建出來的地圖，系統(tǒng)還有附帶功能，可以集合大家力量完成更上層的任務(wù)。

最后是總結(jié)，這段時(shí)間我們不斷單機(jī)推出自主化、輕量化、智能化進(jìn)展，單機(jī)技術(shù)到集群上，實(shí)現(xiàn)集群協(xié)同化、智能化、規(guī)范化。在應(yīng)用場景上，單一簡單場景擴(kuò)展到復(fù)雜場景，從封閉已知環(huán)境擴(kuò)展到開放未知環(huán)境，從單機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展到集群作業(yè)。剛才介紹各種不同應(yīng)用場景的視頻，可以看到研究成果通用算法可以無縫銜接在航拍、攝影、地面物流、自動(dòng)駕駛等等多個(gè)不同領(lǐng)域。

—— 高飛