滿分!“飛鷹”奪冠

宋韜

目標無人機

本次穆罕默德本扎耶德國際挑戰(zhàn)賽包括三項挑戰(zhàn)項目?！疤魬?zhàn)一”要求多個無人機自主搜索、識別、刺破在場地中央隨機擺放的五個氣球，并自動跟蹤一架在競技場內的按三維隨機軌跡移動的目標無人機，抓取懸掛于目標無人機下方的黃色小球，并投放到指定區(qū)域?！疤魬?zhàn)二”中，無人機和無人車在室外環(huán)境中協(xié)作完成自動定位、拾取、運輸和組裝不同類型、顏色的磚形物體，按照給定的圖案及進行搭建?！疤魬?zhàn)三”中，無人機和無人車需協(xié)作，在城市高層建筑消防場景中自動撲滅一系列模擬火災。

比賽中，北京理工大學的“飛鷹隊”作為唯一一支來自中國的隊伍，擊敗卡內基梅隆大學、賓夕法尼亞大學、弗吉尼亞理工、蘇黎世聯(lián)邦理工學院、東京大學和法國國家科研中心等29支國際頂級院校和研究機構的參賽隊伍，在“多機協(xié)作自主空中奪球”項目中以全場唯一一個滿分的成績奪得桂冠！

“飛鷹隊”原定參加全部三項挑戰(zhàn)，受疫情等影響挑戰(zhàn)二和三的主力隊員無法按時歸隊，“飛鷹隊”最終參加了“挑戰(zhàn)一”項目。比賽當天，在阿聯(lián)酋國家展覽中心，一個類似足球場的場地上空中有一架無人機拖著一個直徑13cm黃色小球以三維空間“8”字形軌跡自由飛行，地面隨機放有五個兩米左右高的桿，桿上放著直徑40cm左右自由飄動的綠色氣球，用于干擾。要求參賽無人機用最短時間自主追蹤目標機抓取黃色小球，同時刺破桿子上放置的干擾球。

“飛鷹隊”比賽三架無人機一鍵自主起飛后，先自主規(guī)劃搜索路徑，識別到目標機和綠色氣球后，以任務完成時間最小為優(yōu)化目標，自主規(guī)劃任務分配?！白デ颉睙o人機自動規(guī)劃航跡飛至追蹤起始點，鎖定目標無人機，并實現(xiàn)自主跟蹤和精準抓取?！按糖颉睙o人機自主識別綠色氣球在場中央的擺放位置，以所走路程最短為優(yōu)化目標，自主規(guī)劃航跡，利用機上“針刺”裝置對目標進行刺破。最終，“飛鷹隊”出色完成挑戰(zhàn)一項目所有任務，以全場唯一一個滿分成績贏得比賽。

“挑戰(zhàn)一”主要測試三項技術：視覺識別與感知、導航與控制、多機自主協(xié)同。

視覺識別與感知技術讓無人機能夠可靠地“看”和“識”，攝像機可以理解為機器的眼睛，如何處理視覺數(shù)據則需要機載計算機和算法的相互配合。人類大腦約百分之七十的計算都是用來處理視覺信息，同樣機器視覺對于算法和計算力要求極大。在比賽中，視覺識別主要有以下技術難點：一是目標無人機掛的球很小，速度又比較快，可能還沒等原來的圖像處理完成，黃球就飛走了，這就需要我們提高圖像處理識別的速度;二是比賽場景復雜，常常有戴黃色安全帽的工作人員走來走去，且目標球尺寸太小，甚至會受到光照等外部條件的影響，這些問題，都給圖像識別帶來很多挑戰(zhàn)。

北理工團隊研發(fā)了先進的機器學習技術，提高了對目標的搜索效率和探測能力。

目標自動識別與感知技術在軍事和民用方面都有著十分廣泛的應用， 軍事方面包括無人飛行器、精確制導、空中預警和戰(zhàn)場監(jiān)視等;民用方面包括移動機器人、智能視頻監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、人機交互、虛擬現(xiàn)實等。

導航與控制技術是要實現(xiàn)對空中快速運動目標的跟蹤和抓取，機載計算機可以看作是無人機的“大腦”，旋翼可以看作是無人機的“手腳”，更快更準地完成任務就需要“大腦”與“手腳”的配合。

參賽無人機

地面綠色氣球

比賽設定目標無人機在空中繞軌跡和方向都未知的“8”字運動，速度為8m/s。針對目標無人機運動狀態(tài)未知這個難點，開發(fā)了自主導航智能控制算法，北理工參賽無人機先懸停搜索觀察目標，自主預測目標運動軌跡并自主規(guī)劃有利于抓球的最佳跟蹤路徑。北理工參賽無人機沿著最優(yōu)路徑自主飛行到最佳追捕位置后，啟動自主導航智能算法加速追擊目標;當接近目標時將速度降至和目標保持一致。未來這項技術可應用于無人機目標的管控、無人機自主回收、空中加油、空域安全防護等任務領域。

上：備賽區(qū)? ?下：團隊成員

多機自主協(xié)同技術是要實現(xiàn)對復雜環(huán)境下多任務多目標的快速任務分配和協(xié)同控制，團隊設計了一套協(xié)同任務規(guī)劃系統(tǒng)，讓無人機彼此之間“相互交流”，通過“交流協(xié)商”來明確誰對空中運動小球的實施抓取，誰對地面若干固定氣球的執(zhí)行刺破。

這些技術成功應用于比賽過程中，完成了對復雜環(huán)境下空中抓球、地面刺球多目標任務的快速任務分配與協(xié)同控制。未來可應用于空天地無人智群一體化組網、空地一體綠色農業(yè)、戰(zhàn)場多點覆蓋偵察等任務場景中。

“飛鷹”隊面對在國際人工智能前沿領域的強敵，如“現(xiàn)代計算機科學文明發(fā)源地”賓夕法尼亞大學，以計算機科學和機器人學享譽全球的卡耐基梅隆大學，法國最大科研機構法國國家科研中心等，在“挑戰(zhàn)一”項目中，“飛鷹隊”能摘得桂冠，并呈上全場唯一一份滿分答卷，十分不易。

責任編輯：陳曉麗