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你見過兩架無人機像"疊羅漢"一樣上下疊飛嗎?上方無人機精准從下方無人機拿取搭載的工具,完成任務后再物歸原主。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、群舞,卻幾乎沒有兩架無人機能像‘疊羅漢’一樣,一上一下疊飛。"趙世鈺介紹說,原因在於兩架無人機交疊時會產生強烈的"氣流干擾",極易出現"翻車"事故,更不用提精准作業。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,通過分工協作完成復雜作業任務。
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沖氣流,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准度。氣流擾動估計與補償方法,是指下方無人機能實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說。
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"及更加復雜的"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,它能夠啟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、物資補給等更加復雜的任務。同時,它也能為實際任務提供潛在解決方案。"趙世鈺展望說。(記者晉浩天)
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