“飞行工具箱”。课题组供图

本报讯（记者温才妃）西湖大学工学院特聘研究员赵世钰实验室研发了一套名为“飞行工具箱”的空中协同操作系统，在国际上首次完成多架旋翼无人机的空中工具交换，实现了“叠式”飞行状态下的高精度协同作业，成功破解了近距离飞行与高精度操作不可兼得的关键技术难题。近日，相关研究成果发表于《自然》，这是中国多旋翼无人机领域的研究成果首登该刊。

空中作业机器人是一类将多旋翼无人机和高自由度机械臂相结合的新型机器人。目前的无人机多为“飞行摄像机”，常用于航拍、监测等任务。而空中作业机器人是“飞行操作手”，能代替人类在难以抵达的区域作业，完成危险物品抓取与放置、高空建筑清洁等任务。

不过，单个空中机器人携带的载荷有限，难以完成复杂的空中作业任务。研究团队设想，能否像外科手术那样——主刀医生专注操作，护士在一旁将工具递给医生，空中机器人也各司其职，交换工具，变成“多面手”，通过分工协作完成各种复杂任务。

如果两架多旋翼无人机交换有效载荷，需要采取“叠飞”的形式，即一架无人机先飞到另一架无人机上方，再交换工具。然而，当一架无人机飞在另一架正上方时，它的螺旋桨会向下持续吹出强烈的“下洗气流”，严重干扰无人机的稳定性。实验显示，当两架无人机垂直距离为0.6米时，会产生13.18米/秒的强烈下洗气流，相当于气象学上的6级“强风”。

近距离飞行与高精度操作，如何实现“鱼与熊掌兼得”？研究团队创造出一个飞行工具箱。这是一套空中协同操作系统，由一架工具箱无人机和一架操作无人机组成。工具箱无人机能够携带多种不同类型的末端执行工具，而操作无人机，则是拥有可伸展机械臂的“操作手”。

根据测算，要确保无人机对接成功，机械臂底部与工具顶部之间的水平位移必须小于1.5厘米，即上方无人机底端与下方工具顶端之间偏移不能超过一指半的距离。

研究团队设计了3个核心模块以破解难题，分别为柔性电磁对接机构、气流扰动估计与补偿方法、高精度对接与操作控制技术，成功解决了近距离飞行与高精度操作之间的技术矛盾。

未来，研究人员将提高这套工具箱系统的性能，并向产业化进发。“我们想把上层规划算法与下层机器人控制结合起来，希望能在复杂、开放的环境中解决实际问题。”赵世钰说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09575-x