竹林中穿梭空中機(jī)器人集群

周鑫

無人機(jī)集群

空中飛行的無人車、無人機(jī)集群是科幻電影的?？?。電影《普羅米修斯》中，宇航員釋放了幾個微型飛行小球來探索一艘外星飛船的內(nèi)部環(huán)境，為人員進(jìn)入打頭陣?！栋驳碌挠螒颉分?，大規(guī)模無人機(jī)集群緊密圍繞著人類的飛船，組成了抵御外星人進(jìn)攻的護(hù)盾，并為隨后人類的反攻清理出一條道路?！缎乔虼髴?zhàn)：西斯的復(fù)仇》和《銀翼殺手》中，飛車構(gòu)成的密集空中交通有條不紊地運(yùn)行于高樓大廈之間，儼然是高科技星球的“標(biāo)配”。

電影中的無人機(jī)集群所展現(xiàn)出的導(dǎo)航和協(xié)同能力數(shù)十年來吸引了無數(shù)的研究者，而我們作為其中之一，在國際首次成功研發(fā)了能夠“獨(dú)立思考”的空中機(jī)器人集群并在浙江安吉的竹林等極度復(fù)雜場景中驗證了所研發(fā)算法和系統(tǒng)的優(yōu)異性能。

不同于一般航拍無人機(jī)自由飛行的廣闊天空，密集竹林中，林立的竹竿、分叉的枝丫、遍布的灌木，每一樣對脆弱的空中小精靈們來說都是致命的，都需要它們小心翼翼地避開所有可能的危險。而安吉的竹海更甚，竹子與竹子間距往往只有數(shù)十公分，從而留給空中機(jī)器人的容許誤差只有幾厘米。這樣的場景，即使是最專業(yè)的飛手，也不敢打包票能控制一架無人機(jī)完好無損地穿越竹林，更別提我們還要面對一群了。

自然界的啟發(fā)

集群是自然界生物的一種常見組織形式，比如天上的鳥群、水下的魚群、陸地的羊群，還有地面附近的蟲群等。正如廣為人知的故事——雷達(dá)的發(fā)明借鑒了蝙蝠探測目標(biāo)的原理，我們研發(fā)空中機(jī)器人集群也是受了自然界的啟發(fā)。

飛鳥和昆蟲是飛行類的代表，基于對它們集群行為的研究，學(xué)術(shù)界已經(jīng)產(chǎn)生了兩類發(fā)展較為完善的算法。一類是基于昆蟲的，另一類基于鳥群在高空的飛行。這里特別強(qiáng)調(diào)“高空”這一空曠環(huán)境。高空中，鳥群會嘗試同周圍幾個個體保持盡量一致的運(yùn)動方向和速度，同時考慮維持一定的安全距離。

但鳥類在樹林中的自由與靈活可沒那么簡單。它能毫不費(fèi)力地躲避紛繁交錯的樹杈，鉆過與身體一般大小的孔洞，最后精確地一口咬住空中的飛蟲或是恰到好處地立到某一根粗細(xì)合適的樹枝上。這是以往的空中機(jī)器人遠(yuǎn)無法達(dá)到的。為了攻克這一難題，我們團(tuán)隊通過模仿鳥類觀察世界和感知自身狀態(tài)的方式，開發(fā)了高水平的單機(jī)器人自主導(dǎo)航算法，并進(jìn)一步攻克難關(guān)，將導(dǎo)航推廣至多個機(jī)器人。

麻雀雖小，五臟俱全

“麻雀雖小，五臟俱全?！边@句話用來形容我們的機(jī)器人也很恰當(dāng)。我們把飛行單元稱作“機(jī)器人”，因為它們?nèi)瑛B類，通過兩只眼睛和內(nèi)耳，負(fù)責(zé)感知運(yùn)動的前庭系統(tǒng)，來觀察四周以及平衡身體。我們的機(jī)器人也選用了由兩個攝像頭構(gòu)成的雙目相機(jī)和慣性（三軸角速度、三軸加速度等慣性指標(biāo)）傳感器來感知障礙物并控制機(jī)器人的空中姿態(tài)。

鳥類擁有相比昆蟲大得多的腦容量，容許它進(jìn)行更為復(fù)雜的分析和更精確的控制。對此我們給機(jī)器人配備了機(jī)載的微型高性能計算機(jī)。更遠(yuǎn)的觀測距離和聰明的頭腦賦予了鳥類在復(fù)雜環(huán)境中一氣呵成的、順滑的飛行。我們也開發(fā)了基于“軌跡規(guī)劃”技術(shù)的導(dǎo)航算法，使得機(jī)器人會同時考慮過去、現(xiàn)在以及將來長期一段時間的環(huán)境和自身狀態(tài)，從而計算得到更優(yōu)的飛行結(jié)果。

其中，我們攻克了機(jī)器人自定位、稠密環(huán)境建圖、安全軌跡規(guī)劃、高精度運(yùn)動控制等諸多關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人自定位是通過安裝的攝像頭結(jié)合慣性傳感器，根據(jù)拍攝圖像來反算自身在環(huán)境中所處的位置以及當(dāng)前的形態(tài)。稠密環(huán)境建圖是指通過雙目相機(jī)像人眼一樣計算周圍障礙物的遠(yuǎn)近，并由此繪制一張三維的、描述障礙物位置和形狀的地圖。安全軌跡規(guī)劃是指根據(jù)上述定位和建圖結(jié)果，規(guī)劃一條會在未來追蹤的飛行軌跡，該軌跡需要避開已知的障礙物，并且足夠順滑，從而機(jī)器人能夠平滑、低偏差地追蹤下來。最后，高精度運(yùn)動控制則是控制機(jī)器人能夠準(zhǔn)確跟隨所生成軌跡的算法。

我們將以上算法部署到了最簡系統(tǒng)的飛行機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)了單架無人機(jī)在室內(nèi)、室外復(fù)雜場景中的自主導(dǎo)航。即給定一個遠(yuǎn)處的目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人會從當(dāng)前位置開始不斷朝著目標(biāo)點(diǎn)飛行，期間主動避開周邊障礙物，直至到達(dá)給定目標(biāo)處。

所謂“最簡系統(tǒng)”是指我們的空中機(jī)器人只配備雙目相機(jī)和慣性傳感器兩種基本傳感器，不依靠衛(wèi)星定位、地面控制基站等外部設(shè)備的支持，從而能在衛(wèi)星信號和控制信號都不穩(wěn)定的室內(nèi)，甚至地下礦洞里自主導(dǎo)航，這是前所未有的技術(shù)進(jìn)步。

從單機(jī)到集群

高性能的單機(jī)器人導(dǎo)航是我們實(shí)現(xiàn)空中集群的堅實(shí)基礎(chǔ)。就如同鳥群是由一只只“五臟俱全”的飛鳥個體構(gòu)成，我們的集群也是由一個個裝備了完整感知、計算、控制系統(tǒng)的微型空中機(jī)器人構(gòu)成的，從而實(shí)現(xiàn)了“分布式”的架構(gòu)。即每個個體均配有全套軟硬件系統(tǒng)，獨(dú)立做決策與控制，部分個體的損壞幾乎不會影響集群整體功能。

為了實(shí)現(xiàn)從單機(jī)到集群的跨越，我們進(jìn)一步攻克了通信組網(wǎng)、決策協(xié)同、相互識別、定位校正等諸多技術(shù)難點(diǎn)。通過組建的無線網(wǎng)絡(luò)，集群中的每一個個體會向它的鄰居或是其余所有個體發(fā)出它規(guī)劃出來的、將要執(zhí)行的那條軌跡，即“我將要怎么飛”。其余個體在收到消息后會作出判斷決策，如有需要則會立即規(guī)劃一次軌跡，并將新規(guī)劃的軌跡同樣通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給他機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個集群協(xié)同導(dǎo)航的閉環(huán)。

集群的另一大難點(diǎn)是實(shí)驗。我們的實(shí)驗在八九月份進(jìn)行，那是一年中最熱也是蚊蟲最多的時節(jié)，地點(diǎn)又選在了潮濕茂密的安吉竹林中，以至于整個實(shí)驗過程中，我們一直與蚊蟲斗智斗勇。我們耳邊永遠(yuǎn)圍繞著的嗡嗡聲，同集群機(jī)器人飛行的嗡嗡聲混合在一起，形成了某種奇特的“相映成趣”。

由于機(jī)器人技術(shù)在不同平臺的通用性，我們的研究成果有望將很多科幻想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。比如在火災(zāi)等搜救場景中，小型集群機(jī)器人能夠更好實(shí)現(xiàn)搜救目標(biāo)，減少搜救人員風(fēng)險。在地形勘探中，也可以快速對人員無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行建模。生活中有很多場景都能用到我們這項技術(shù)，比如掃地或服務(wù)機(jī)器人，如果裝上了我們研發(fā)的“智慧大腦”，將會更加聰明。

責(zé)任編輯：刁雅琴