【WRC 大咖观点】高飞《空中机器人自主导航与集群技术》

编者按：

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。

峰会现场，浙江大学博士生导师、FAST实验室技术负责人高飞发表了题为《空中机器人自主导航与集群技术》的演讲。以下为高飞演讲内容的整理。

我的报告从以下七部分展开内容，首先是研究背景。

在研究背景里我想给大家介绍一下空中机器人、无人机怎么脱离航模玩具范畴，完成自主性和智能性。这里无人机装了智能传感器，靠眼睛定位获取环境信息，获得对环境理解，在大脑机载计算芯片完成自己角色规划。可以看到这时候飞机自主飞起来进行悬空状态，之后往前飞，躲避过程中所有障碍物，通过机载电脑完成，没有任何外部支持和外部计算和人为操作，要靠眼睛和大脑完成感知和规划，会飞到我面前。

对于集群系统来说，当前学术界研究更是比较初级阶段。接下来我将介绍我们团队在这两年内，不依靠任何外部信息情况下，如何一步步进行技术积累和迭代，最后形成真正自主地飞行集群。

首先我们团队重点研究无人机飞行过程快速轨迹重规化。为什么要建稠密三维地图？后续工作根据视觉感知到的信息得到点云地图，不需要对地图进行固处理，得到离散或者某种抽象表达，直接依据传感器原始点云信息可以规划出高质量信息完成对线抵达。接下来重点研究了大机动、大姿态、高速情况下实时轨迹规划，自然跟高速规划相对应还需要解决控制问题。之前学术界可以解，他们解这样轨迹需要几分钟、几小时，我们的算法做到几十毫秒解决轨迹，并且可以飞出来，这个工作是今年发表机器人顶级期刊上。

单机静态环境下，基本解决自主性和智能性问题基础上，需要给场景加动态元素，一个很典型事例是让无人机跟踪移动目标、跟踪一个用户，这里是我们做目标性跟随工作，我们只需要通过机载摄像头，不需要任何外部标识，跟神经网络进行目标耦合固态提取，在此基础上进行未来运动预测完成跟踪。完成跟踪还要降落，小无人机希望像自然界鸟类一样到降落平面和高速俯冲下去，重点解决轨迹规划和控制问题和目标感知问题。完成跟踪、俯冲和降落，还要完成高动态目标自动航拍，应用来源是对跟拍的本质需求——希望一个小型无人机进行拍摄任务，我们可以完成尽可能接近用户期望的航拍。

无人机最大瓶颈在于续航，螺旋桨提供推力做工，最重要做工是抵消重力做工。

我们做了无人机设计，有很多发挥想象力的空间，我这里还选取了最有想象力代表性的工作。我们最近做了可以伸缩环形无人机，小无人机可以变大变小，通过狭小空间做机动性，更大半径效率更高和运行时间更长。它还可以搬运，这也是有趣的应用。我们已经做了无人机空中到地面状态模态切换，我们已经可以又可以飞又可以跑的无人机，说明技术在地面无人系统、无人车无缝衔接，对于机器人专业从业者很好理解，我们里面解决都是感知、定位、规划控制，通用机器人自主导航的问题。最近提出了乘用无人车对阿克曼模型，效率最高，并且保持最优5G求解效率地面提升的饭碗。这里是简单对比，这个有点偏学术。

最后《Robotics》并且作为封面文章发表的，我们叫全自主微型无人机，自主无人机系统。我们工作由我面前三架小飞机构成，实际系统机体集群力和机体个数更高。我们有什么特点？第一机器人很小又很聪明，可以自主避障、自卫定位像小精灵一样。定位和感知依靠的是机载摄像头和非控制芯片惯性导航单元。小无人机本身硬件架构设计也是由实验室自己完成的，小飞机有了骨架和底层非控制芯片，我们需要选择合适大脑，大脑里进行最主要定位、感知、规划和算法运行。有了单机系统可以完成全自主的任务，我们要搭配集群的架构，在集群上面，最重要是给一定用户拓展和执行各种任务可能性的能力。

我们集群是全分布式集群，各自计算各自关键计算，确保了集群分布式的自主性。有时候需要协同性，集群运动整体上可以达成共识，这里同样借助数学工具，主要借助图理论相似性的工具。在定位和感知方面，我们小飞机依靠机载视觉和每一个机载UWB芯片(小无线电输放装置)，通过小装置在每两个飞机完成很小数据量通信，并且用无线电进行粗略测距，集群整体定位把所有小飞机直觉定位和无线电测距收集起来，进行联合优化收解，达成定位校正。我们跟业内最优算法比，效率和最优性等等有很大优势。

最后是方法功能展示，最有代表性的实验是浙江非常有中国特色，这是《卧虎藏龙》拍摄地。针对非常复杂的环境，大家可以看到在这样实验场景，小飞机是全部自主的，并且没有中心式计算单元，靠自己小小大脑可以完成所有感知协同避障任务，并且飞行过程中视频下方显示联合建出来的地图，系统还有附带功能，可以集合大家力量完成更上层的任务。

最后是总结，这段时间我们不断单机推出自主化、轻量化、智能化进展，单机技术到集群上，实现集群协同化、智能化、规范化。在应用场景上，单一简单场景扩展到复杂场景，从封闭已知环境扩展到开放未知环境，从单机应用扩展到集群作业。刚才介绍各种不同应用场景的视频，可以看到研究成果通用算法可以无缝衔接在航拍、摄影、地面物流、自动驾驶等等多个不同领域。

—— 高飞