無(wú)人機(jī)在國(guó)內(nèi)被玩出了花，以前經(jīng)常看到無(wú)人機(jī)群表演燈光秀節(jié)目，算是養(yǎng)眼的感受。這一次被浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院的微型無(wú)人機(jī)穿越樹(shù)林給驚到了，不依賴(lài)GPS和網(wǎng)絡(luò)，無(wú)人機(jī)會(huì)獨(dú)立計(jì)算和思考，輕松避障，穿越茂密的竹林，這是如何做到了呢？比起大規(guī)模的空中編隊(duì)無(wú)人機(jī)群有什么高超之處呢？

浙大無(wú)人機(jī)群先進(jìn)在哪里？

在一片茂密的竹林里，一群微型無(wú)人機(jī)猶如一群小鳥(niǎo)一樣，穿梭自如的飛躍竹林。它們十分靈巧，時(shí)而低飛掠過(guò)低矮的灌木叢，時(shí)而變換隊(duì)形，高飛躲避竹枝。

這是在復(fù)雜環(huán)境下群控?zé)o人機(jī)的一次演練飛行，之所以被國(guó)際刊物發(fā)表在封面，是因?yàn)樵擁?xiàng)目解決兩大難題：一是復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題，二是集群機(jī)器人避障問(wèn)題。

與我們常見(jiàn)的群控?zé)o人機(jī)表演節(jié)目不同，來(lái)自于浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院、湖州研究院團(tuán)隊(duì)徹底改變了表演型無(wú)人機(jī)的弱點(diǎn)。以前大規(guī)模的空中編隊(duì)表演，依靠的是衛(wèi)星定位和軌跡編碼，需要地面計(jì)算機(jī)的支持，一旦出現(xiàn)通訊故障，這些群控飛機(jī)就會(huì)出現(xiàn)故障，甚至遇到障礙物也容易跌落。

舉個(gè)例子，2018年5月1日，陜西西安永寧門(mén)景區(qū)就準(zhǔn)備了1374架群控?zé)o人機(jī)進(jìn)行表演，以便于創(chuàng)造吉尼斯記錄。

但是，由于受到定向干擾，無(wú)人機(jī)群出現(xiàn)了故障，400架失去控制，最終讓表演活動(dòng)產(chǎn)生遺憾的結(jié)果。至于是受GPS信號(hào)影響，還是人為干擾不得而知，但是反映出群控?zé)o人機(jī)的弊端。

所以當(dāng)浙大的《野外微型飛行機(jī)器人集群》一文發(fā)布，都被作為封面文章發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域的國(guó)際頂刊《科學(xué)·機(jī)器人》，論文的第一作者是浙大控制學(xué)院在讀博士生周鑫，通訊作者為高飛博士和許超教授。

作為論文的驗(yàn)證機(jī)型，10余架手掌大小的無(wú)人機(jī)，在沒(méi)有衛(wèi)星導(dǎo)航支持、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信運(yùn)算或是預(yù)先建立環(huán)境地圖的情況下，輕松實(shí)現(xiàn)了群飛協(xié)同功能。

據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的微型飛機(jī)是利用機(jī)載傳感器的有限信息實(shí)現(xiàn)全部功能的，可以實(shí)現(xiàn)自行軌跡的規(guī)劃，同時(shí)滿(mǎn)足避障、相互碰撞等要求，意義重大。

比如，之前哀牢山搜救，因?yàn)橛械卮鸥蓴_，GPS出現(xiàn)失靈的情況，如果采用該技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)低空飛行，主動(dòng)尋找目標(biāo)。同樣可以在戶(hù)外科考、救援、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域使用上，當(dāng)然這需要放大版本。

當(dāng)然，國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)領(lǐng)先品牌的大疆Mavic Air 2已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了良好的避障和跟蹤功能，10公里通信距離，硬件成本也就135美元，如果集中這樣的算法和軟件功能，前景可想而知。

之所以，大疆也還沒(méi)開(kāi)發(fā)群控的協(xié)調(diào)機(jī)群，是因?yàn)閺?fù)雜環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)協(xié)同，軟件技術(shù)上還有很多難題。諸如軌跡優(yōu)化能力、可拓展性、低成本計(jì)算、小型化等，這里就不再擴(kuò)展來(lái)降溫了，總之最低成本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)同是目標(biāo)和方向。

借助大自然，仿生學(xué)功不可沒(méi)

其實(shí)，在樹(shù)林里最自由和暢快的就是小鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)了，只要向它們學(xué)習(xí)，也許就能找到一些在叢林中集群穿梭的靈感，畢竟這是它們每天都在做的事情。

在樹(shù)林里，鳥(niǎo)群不但可以自由飛翔，而且可以輕松找到食物，這也成為了最佳的仿生的目標(biāo)。

各大科研機(jī)構(gòu)也早就將目光集中在模仿鳥(niǎo)類(lèi)飛行上，但是，主要集中在動(dòng)力、外形上，算法上突破不太大。采用仿生原理研發(fā)的無(wú)人機(jī)，雖然可以通過(guò)一些措施可以與真實(shí)的鳥(niǎo)類(lèi)達(dá)到以假亂真的程度，從而欺騙敵人的雷達(dá)和眼睛，但是還十分依賴(lài)于衛(wèi)星導(dǎo)航，一旦受到干擾，就前功盡棄。

德國(guó)Festo公司對(duì)拍著翅膀飛起來(lái)的機(jī)器鳥(niǎo)情有獨(dú)鐘，最新機(jī)型BionicSwift（仿生飛燕）就非常的靈巧，加上人造羽毛，感覺(jué)就是真的飛燕一樣。

仿生飛燕只有42克，續(xù)航可以達(dá)到8分鐘，可以通過(guò)室內(nèi)無(wú)線(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的交互，機(jī)器鳥(niǎo)能在定義的空域內(nèi)以協(xié)調(diào)的方式自主控制飛行。

雖然是一個(gè)發(fā)展方向，但是受導(dǎo)航技術(shù)的限制還是很大的，也可以說(shuō)該機(jī)型雖然樣子和功能上都符合仿生方向，但是最重要的自己思考和導(dǎo)航功能還是缺失的。

浙大團(tuán)隊(duì)在研究各種仿生機(jī)器人，以及集群飛行器之后，發(fā)現(xiàn)解決關(guān)鍵問(wèn)題是在機(jī)器人的軌跡時(shí)空規(guī)劃上：即不僅僅是能夠改變軌跡形狀，還需要調(diào)整時(shí)間分布，以最大限度地利用空間。

因?yàn)槿绻皇且粭l路徑，其他飛行器需要等待才能穿越，而同時(shí)穿越就需要規(guī)劃更多的軌跡。這就需要每一架飛行器需要和鳥(niǎo)類(lèi)一樣，具有自己獨(dú)立的判斷系統(tǒng)，比如：感知、定位、規(guī)劃、控制能力，同時(shí)將采集的信息分享出去，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同。

鳥(niǎo)類(lèi)在飛躍叢林的時(shí)候可以隨時(shí)調(diào)整路徑、速度避免碰撞，還可以充分考慮環(huán)境因素，滑翔前進(jìn)。對(duì)應(yīng)地團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的視覺(jué)慣性里程計(jì)，以及多目標(biāo)時(shí)空軌跡聯(lián)合優(yōu)化算法，解決了這一難題。

應(yīng)該說(shuō)，這是群控機(jī)器人的新方向，與仿生外形相比，充分利用仿生性能更是需要長(zhǎng)期關(guān)注的領(lǐng)域。

總結(jié)

欣喜的是最近幾年，我國(guó)的各大科研院所已經(jīng)聚焦在無(wú)人機(jī)仿生學(xué)上很長(zhǎng)一段時(shí)間。西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的新型 “信鴿”仿生飛行器，仿生蝠鲼，“青音“綠色超聲速無(wú)人機(jī)等等都取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

隨著浙大這一成果的發(fā)布，讓我們?cè)僖淮慰吹椒律鷮W(xué)的妙處，也看到了新的思路，祝愿國(guó)產(chǎn)無(wú)人機(jī)發(fā)展越來(lái)越好。