無人機實現空中“握手”

本報北京9月29日電（記者晉浩天） 你見過兩架無人機像“疊羅漢”一樣上下疊飛嗎？上方無人機精準從下方無人機拿取搭載的工具，完成任務後再物歸原主。這一富有科技感又兼具實用性的場景，在西湖大學工學院人工智能系特聘研究員趙世鈺實驗室成為現實。團隊研發了一款名為飛行工具箱（FlyingToolbox）的空中協同操作系統，在國際上首次實現了多架無人機在飛行過程中的高精度工具交換，成功攻克了近距離飛行與高精度操作難以兼顧的核心技術難題。這一突破性成果日前發表於國際學術期刊《自然》。

“大家在生活中見到過無人機單飛、羣舞，卻幾乎沒有兩架無人機能像‘疊羅漢’一樣，一上一下疊飛。”趙世鈺介紹説，原因在於兩架無人機交疊時會產生強烈的“氣流乾擾”，極易出現“翻車”事故，更不用提精準作業。這個看似“簡單”的動作，其實是無人機技術發展的一個卡點。這一問題可通過多機協作來解決。趙世鈺團隊構想，就像外科手術那樣，主刀醫生專注操作，護士在一旁遞剪刀、止血鉗等，無人機們也可以各司其職，交換工具。這樣一來，每個無人機都可以專注於自己角色，通過分工協作完成複雜作業任務。

為此，趙世鈺團隊研發了飛行工具箱空中協同操作系統。這個系統由一架工具箱無人機和一架操作無人機組成。工具箱無人機，顧名思義，能夠攜帶多種不同類型的末端執行工具，如爪子、剪刀等；而操作無人機，則是擁有可伸展的機械臂的那個“操作手”。

讓無人機真正合作起來，最大挑戰在於克服豎疊式飛行時的下衝氣流，在強風中實現高精度空中對接。團隊設計了三個“黑科技”核心模塊以破解難題：柔性電磁對接機構、氣流擾動估計與補償方法、高精度對接與操作控制技術。

“柔性電磁對接機構，是在接觸時會自動‘吸附’的電磁智能接口，這一設計大大提升了對接的精準度。氣流擾動估計與補償方法，是指下方無人機能即時估計上方無人機產生的下洗氣流擾動強度。高精度對接與操作控制技術，則讓上方的無人機‘看得清’，讓下方的無人機‘飛得穩’。”本文第一作者、西湖大學副研究員曹華姿説。

在實驗室中，這套全新的飛行工具箱空中協同操作系統運行穩定。趙世鈺介紹，它不僅成功完成了不少於20次的連續對接，還能勝任“雙機協作”及更加複雜的“三機協作”等任務場景，成功解決了近距離飛行與高精度操作之間的技術矛盾，實現了空中豎疊式飛行條件下的工具交換。

“我們相信，它能夠啓發更多研究人員從事關於空中作業任務的研究，實現如空中換電池、物資補給等更加複雜的任務。同時，它也能為實際任務提供潛在解決方案。”趙世鈺展望説。