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(xiàn)實。團隊研發(fā)了一款名為飛行工具箱（FlyingToolbox）的空中協(xié)同操作系統(tǒng)，在國際上首次實現(xiàn)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(shù)難題。這一突破性成果日前發(fā)表于國際學術(shù)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?！壁w世鈺介紹說，原因在于兩架無人機交疊時會產(chǎn)生強烈的“氣流干擾”，極易出現(xiàn)“翻車”事故，更不用提精準作業(yè)。這個看似“簡單”的動作，其實是無人機技術(shù)發(fā)展的一個卡點。這一問題可通過多機協(xié)作來解決。趙世鈺團隊構(gòu)想，就像外科手術(shù)那樣，主刀醫(yī)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于自己角色，通過分工協(xié)作完成復雜作業(yè)任務。

為此，趙世鈺團隊研發(fā)了飛行工具箱空中協(xié)同操作系統(tǒng)。這個系統(tǒng)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(zhí)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(zhàn)在于克服豎疊式飛行時的下沖氣流，在強風中實現(xiàn)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(gòu)、氣流擾動估計與補償方法、高精度對接與操作控制技術(shù)。

“柔性電磁對接機構(gòu)，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，是指下方無人機能實時估計上方無人機產(chǎn)生的下洗氣流擾動強度。高精度對接與操作控制技術(shù)，則讓上方的無人機‘看得清’，讓下方的無人機‘飛得穩(wěn)’?！北疚牡谝蛔髡?、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(xié)同操作系統(tǒng)運行穩(wěn)定。趙世鈺介紹，它不僅成功完成了不少于20次的連續(xù)對接，還能勝任“雙機協(xié)作”及更加復雜的“三機協(xié)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(shù)矛盾，實現(xiàn)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(fā)更多研究人員從事關于空中作業(yè)任務的研究，實現(xiàn)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?！壁w世鈺展望說。（記者晉浩天）

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