竹林中穿梭空中機器人集群

周鑫

無人機集群

空中飛行的無人車、無人機集群是科幻電影的?？?。電影《普羅米修斯》中，宇航員釋放了幾個微型飛行小球來探索一艘外星飛船的內部環境，為人員進入打頭陣。《安德的游戲》中，大規模無人機集群緊密圍繞著人類的飛船，組成了抵御外星人進攻的護盾，并為隨后人類的反攻清理出一條道路。《星球大戰：西斯的復仇》和《銀翼殺手》中，飛車構成的密集空中交通有條不紊地運行于高樓大廈之間，儼然是高科技星球的“標配”。

電影中的無人機集群所展現出的導航和協同能力數十年來吸引了無數的研究者，而我們作為其中之一，在國際首次成功研發了能夠“獨立思考”的空中機器人集群并在浙江安吉的竹林等極度復雜場景中驗證了所研發算法和系統的優異性能。

不同于一般航拍無人機自由飛行的廣闊天空，密集竹林中，林立的竹竿、分叉的枝丫、遍布的灌木，每一樣對脆弱的空中小精靈們來說都是致命的，都需要它們小心翼翼地避開所有可能的危險。而安吉的竹海更甚，竹子與竹子間距往往只有數十公分，從而留給空中機器人的容許誤差只有幾厘米。這樣的場景，即使是最專業的飛手，也不敢打包票能控制一架無人機完好無損地穿越竹林，更別提我們還要面對一群了。

自然界的啟發

集群是自然界生物的一種常見組織形式，比如天上的鳥群、水下的魚群、陸地的羊群，還有地面附近的蟲群等。正如廣為人知的故事——雷達的發明借鑒了蝙蝠探測目標的原理，我們研發空中機器人集群也是受了自然界的啟發。

飛鳥和昆蟲是飛行類的代表，基于對它們集群行為的研究，學術界已經產生了兩類發展較為完善的算法。一類是基于昆蟲的，另一類基于鳥群在高空的飛行。這里特別強調“高空”這一空曠環境。高空中，鳥群會嘗試同周圍幾個個體保持盡量一致的運動方向和速度，同時考慮維持一定的安全距離。

但鳥類在樹林中的自由與靈活可沒那么簡單。它能毫不費力地躲避紛繁交錯的樹杈，鉆過與身體一般大小的孔洞，最后精確地一口咬住空中的飛蟲或是恰到好處地立到某一根粗細合適的樹枝上。這是以往的空中機器人遠無法達到的。為了攻克這一難題，我們團隊通過模仿鳥類觀察世界和感知自身狀態的方式，開發了高水平的單機器人自主導航算法，并進一步攻克難關，將導航推廣至多個機器人。

麻雀雖小，五臟俱全

“麻雀雖小，五臟俱全?！边@句話用來形容我們的機器人也很恰當。我們把飛行單元稱作“機器人”，因為它們如鳥類，通過兩只眼睛和內耳，負責感知運動的前庭系統，來觀察四周以及平衡身體。我們的機器人也選用了由兩個攝像頭構成的雙目相機和慣性（三軸角速度、三軸加速度等慣性指標）傳感器來感知障礙物并控制機器人的空中姿態。

鳥類擁有相比昆蟲大得多的腦容量，容許它進行更為復雜的分析和更精確的控制。對此我們給機器人配備了機載的微型高性能計算機。更遠的觀測距離和聰明的頭腦賦予了鳥類在復雜環境中一氣呵成的、順滑的飛行。我們也開發了基于“軌跡規劃”技術的導航算法，使得機器人會同時考慮過去、現在以及將來長期一段時間的環境和自身狀態，從而計算得到更優的飛行結果。

其中，我們攻克了機器人自定位、稠密環境建圖、安全軌跡規劃、高精度運動控制等諸多關鍵技術。機器人自定位是通過安裝的攝像頭結合慣性傳感器，根據拍攝圖像來反算自身在環境中所處的位置以及當前的形態。稠密環境建圖是指通過雙目相機像人眼一樣計算周圍障礙物的遠近，并由此繪制一張三維的、描述障礙物位置和形狀的地圖。安全軌跡規劃是指根據上述定位和建圖結果，規劃一條會在未來追蹤的飛行軌跡，該軌跡需要避開已知的障礙物，并且足夠順滑，從而機器人能夠平滑、低偏差地追蹤下來。最后，高精度運動控制則是控制機器人能夠準確跟隨所生成軌跡的算法。

我們將以上算法部署到了最簡系統的飛行機器人上，實現了單架無人機在室內、室外復雜場景中的自主導航。即給定一個遠處的目標點，機器人會從當前位置開始不斷朝著目標點飛行，期間主動避開周邊障礙物，直至到達給定目標處。

所謂“最簡系統”是指我們的空中機器人只配備雙目相機和慣性傳感器兩種基本傳感器，不依靠衛星定位、地面控制基站等外部設備的支持，從而能在衛星信號和控制信號都不穩定的室內，甚至地下礦洞里自主導航，這是前所未有的技術進步。

從單機到集群

高性能的單機器人導航是我們實現空中集群的堅實基礎。就如同鳥群是由一只只“五臟俱全”的飛鳥個體構成，我們的集群也是由一個個裝備了完整感知、計算、控制系統的微型空中機器人構成的，從而實現了“分布式”的架構。即每個個體均配有全套軟硬件系統，獨立做決策與控制，部分個體的損壞幾乎不會影響集群整體功能。

為了實現從單機到集群的跨越，我們進一步攻克了通信組網、決策協同、相互識別、定位校正等諸多技術難點。通過組建的無線網絡，集群中的每一個個體會向它的鄰居或是其余所有個體發出它規劃出來的、將要執行的那條軌跡，即“我將要怎么飛”。其余個體在收到消息后會作出判斷決策，如有需要則會立即規劃一次軌跡，并將新規劃的軌跡同樣通過網絡發送給他機，從而實現整個集群協同導航的閉環。

集群的另一大難點是實驗。我們的實驗在八九月份進行，那是一年中最熱也是蚊蟲最多的時節，地點又選在了潮濕茂密的安吉竹林中，以至于整個實驗過程中，我們一直與蚊蟲斗智斗勇。我們耳邊永遠圍繞著的嗡嗡聲，同集群機器人飛行的嗡嗡聲混合在一起，形成了某種奇特的“相映成趣”。

由于機器人技術在不同平臺的通用性，我們的研究成果有望將很多科幻想象變為現實。比如在火災等搜救場景中，小型集群機器人能夠更好實現搜救目標，減少搜救人員風險。在地形勘探中，也可以快速對人員無法到達的區域進行建模。生活中有很多場景都能用到我們這項技術，比如掃地或服務機器人，如果裝上了我們研發的“智慧大腦”，將會更加聰明。

責任編輯：刁雅琴