浙大智慧大脑:能自主编队成群飞行的微型机器人!

标签:机器人
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近年来,随着定位感知规划和控制技术的发展,人类社会见证了空中机器人的巨大进步。浙江大学“全自主微型空中机器人集群控制”团队,在单机自主导航算法研究成功的基础上,聚焦前沿技术,开展了空中机器人集群智能协同控制研究,解决了若干关键性技术问题,创建了在空中机器人自主化、智能化、灵巧化,鲁棒化,微型化等方面的前沿研究理念,取得了国际最新创新成果。这是我国自主研发的丶国际领先的一种"分布式、全自主的微型空中机器人集群系统"。该系统独特创新在于:利用机载传感器和计算单元,实现了在“无先验信息、无卫星导航”的复杂环境下全自主飞行。成果展示了包括复杂丛林穿越、分布式队形保持、多机自主跟踪、集群协同探测等一系列的应用场景。

一群闪着神秘蓝光的微型空中机器人悬停半空,继而灵巧自如地穿梭在一片茂密竹林中……5月5日,一项在未知复杂环境中实现机器人成群、快速避障飞行的成果以封面文章形式发表在机器人领域权威期刊《科学·机器人学》(Science Robotics)上。

这些“蓝精灵”是由浙江大学控制科学与工程学院、湖州研究院团队联合研发的一群微型智能空中机器人,它们时而灵巧地掠过低矮灌木丛,时而交叉飞行变换队形,宛如林中小鸟翩翩起舞相互追逐。

区别于传统的大型军事无人机,空中机器人泛指一类具有高度智能化的无人自主飞行器。它是人工智能与现代飞行器结合的产物,也是机器人科学与技术发展最为活跃的领域之一。

在未知复杂环境中的成群结队飞行,一直被看作是机器人与人工智能领域的一大技术瓶颈。在两年多的研究中,科研团队解决了未知复杂环境下机器人单机与群体的智能导航与快速避障方法等一系列核心技术,将只能在电影里面看到的场面带到现实世界。

据悉,该论文第一作者为浙江大学控制科学与工程学院博士研究生周鑫,通讯作者为该院高飞博士和许超教授。

▍“麻雀虽小” 但能自主思考

大规模的机器人空中编队表演早已屡见不鲜,通过前期的卫星定位和轨迹编码,能够实现千变万化的造型。

然而一旦失去地面计算机的控制,这些机器人群体就会“群龙无首”,甚至撞到障碍物跌落下来。

“人字形的大雁、井然有序的鸽群,当我们仰望天空,自然界中飞鸟的集群总让我们思考它们是如何保持队形的。”

许超说,让机器人像鸟儿一样能够成群自由地飞翔,道法自然,这是我们及国际同行们苦苦追寻的最高境界。

通过集体的协同努力,浙大团队研发出小巧轻便、自主可控又能成群结队的飞行系统。单个空中机器人只有手掌大小,比一听可乐的重量还要轻。

浙大研发的这款新型机器人在仅使用机载视觉、机载计算资源的情况下,实现了在野外树林复杂环境下感知周围障碍物、定位自身位置及生成飞行路径、以及多智能体通讯等多项关键技术突破。

“我们让机器人看得懂世界,主动避开障碍物,实现群体飞行。”高飞说。

“我们还为空中机器人打造了一个智慧大脑。”许超说,尽管处理器只有拇指大小,但是它能够独立计算处理飞行过程中遇到的海量信息。

“把物理世界的运动信息表征成一系列的数学问题,关键是要识破复杂问题背后隐秘的特殊数学结构,化繁为简,利用捉襟见肘的机载计算资源完美破题。”

▍登高跑远 能达无人之境

许超介绍,从图纸设计到硬件调试,从算法研发到代码编写,从实验测试到系统优化,都完全由浙大团队师生完成,“在国际上能够独立完成全流程工作的团队,也是屈指可数。”

在研发过程中,团队在智能化、网络化、自主化等多方面技术发展中取得了突破,这项成果也将对工业界的机器换人和产业升级产生积极作用。

谈及未来应用,高飞认为,在火灾等搜救场景中,小型集群机器人能够更好实现搜救目标,减少搜救人员风险;在地形勘探中,也可以快速对人员无法到达的区域进行建模。

“生活中有很多场景都能用到我们这项技术,比如扫地或服务机器人,如果装上了我们研发的‘智慧大脑’,就会更加聪明。”

▍微型无人机的无限可能

随着世界科技的进步,计算机技术日新月异,人工智能、云计算已经得以实现,智能化、信息化和自动化的时代已经到来。

现阶段,在微型无人机领域,技术较为先进的主要有美国、日本、以色列以及我国等多个国家。

虽然很多国家和研究机构在微型无人机的研发方面取得了巨大的进展,可还存在能量续航、整机质量、机动性能以及大小尺寸等方面的限制。

除了首要的动力、续航问题,低雷诺数下空气动力学特性的研究、机体零部件的小型化、机体飞行抗干扰性能以及稳定性能的提升、导航系统与任务设备、飞行器结构和材料等关键技术,都是未来微型无人机领域需要解决的问题。

由此可见,微型无人机的发展还是面临着诸多的挑战。不过随着科研机构以及重点大学对微型无人机的研发,我们相信,未来微型无人机的技术会不断成熟,前景也会愈发广阔。

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