文｜《中国科学报》实习生 马静 记者 李晨阳 崔雪芹

编辑｜贺涛

一群微型无人机敏捷地掠过低矮灌木丛，编队丝毫未受枝杈的阻滞。

当它们自如地穿梭在一片茂密的竹林中，时而左闪右躲避开障碍，时而交叉飞行变换队形，就像是林中小鸟翩翩起舞，相互追逐。

别看这些微型无人机只有手掌大小，比一听可乐还要轻，但是它们仅凭自身的视觉和计算资源，就能够自主规划最优飞行路线，同时还能灵活地躲避障碍物，避免无人机间发生碰撞，以及完成编队协调任务。

更值一提的是，当这些微型无人机穿过竹林后，可以通过定位算法绘制出周围环境的3D图像。浙江大学控制科学与工程学院、湖州研究院团队是这群微型无人机的研制者。该项研究在5月4日，登上了机器人领域权威期刊Science Robotics封面。

小机身蕴藏“大智慧”

随着通信、传感等技术的发展，无人机早已屡见不鲜，大规模的无人机空中编队表演也成为了不少庆祝场合中的压轴戏。

但是，传统无人机的飞行活动主要依赖于人为控制，千变万化的编队排列，也源于事先设计好的卫星定位和轨迹编码。一旦失去地面计算机的控制，这些无人机就会群龙无首，甚至与障碍物相撞而坠毁。

那么，有没有可能实现无人机的自主智能，使其不必高度依赖人为控制呢？带着这一好奇心，浙大研究团队从大自然中寻找到了答案。

“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。”论文通讯作者、浙江大学湖州研究院院长许超说。

鸟类能够保持相对长期、平稳的飞行动作，同时具有敏锐的视觉和运动感知，以及较高的运动自由度和灵活性。以鸟类的飞行原理为参考，结合用于轨迹优化的“时空优化技术”，浙大团队历时两年多，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，研发出一套小巧轻便、自主可控又能成群结队的飞行系统——智能空中机器人。

智能空中机器人由许多微型无人机组成，单个无人机只有手掌大小，比一听可乐的重量还要轻。在仅使用机载视觉、机载计算资源的情况下，它能够自主规划最优飞行路线，同时满足飞行效率、躲避障碍物、避免无人机间的碰撞、编队协调等多种任务要求。

“我们让机器人看得懂世界，主动避开障碍物，实现群体飞行。”论文共同通讯作者、来自浙江大学控制科学与工程学院的高飞博士说。

“我们还为空中机器人打造了一个智慧大脑。”许超介绍道，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。”

执行任务的“多面手”

在科幻电影中，类似的“蜂群”无人机总是作为袭击或暗杀目标的一种工具。然而，现实科技强调向善而生，浙大团队研发的这款智能空中机器人有望在多种现实场景中发挥作用。

最有望应用它的是一些救灾场景。例如，在火灾、地震和洪水等灾难中，环境恶劣、危险，救灾难度大，此时，运用成群的无人机可以进行多方位的搜索和引导，在保证救援人员人身安全的前提下收集现场信息，并向被困人员提供应急物资。

智能空中机器人还可以代替研究人员进入自然区域，展开生态研究。小巧灵活的无人机，既可以快速到达一些人类无法涉足的区域，也能够最大限度地减少人类活动对自然空间的干扰和破坏。

除此之外，科学家们还有更加前卫的畅想：在未来，人类实现了空中交通运输系统的部署，借助于这款智能空中机器人，车辆可以在密集的建筑物之间、在与其他车辆的交错之中灵活穿行……

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。

参考链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abm5954

https://mp.weixin.qq.com/s/1gYCNzFumi-WrujCkY0kvg

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/5/369272.shtm