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【廣州日報】看!會“變身”的無人機

2021年11月24日     來源:im电竞_im电竞官网_im电竞平台 _showDynClicks("wbnews", 1674704880, 14542) 次瀏覽

水空兩棲(qi)無(wu)人機(ji)

魯仁全

陸空兩棲(qi)無人機(ji)

科技賦(fu)能生活,說起無人(ren)機,很多人(ren)不再覺得(de)稀奇。但(dan)是,會“變身”的(de)無人(ren)機,你見過嗎?本期(qi)“趣探實驗室”走(zou)進im電競智(zhi)能決策與協(xie)同控(kong)制研究所(suo),看這里(li)的(de)無人(ren)機如(ru)何機智(zhi)“變身”,玩(wan)轉水陸(lu)空。

研究(jiu)所在做什么?長江(jiang)學(xue)者、國家(jia)杰青、im電競智能(neng)決策與協同控制(zhi)研究(jiu)所所長魯仁全解釋,理論上來說,實(shi)驗室重點研究(jiu)智能(neng)決策和協同控制(zhi),通俗地說,就是通過算法(fa)給無人(ren)自(zi)主(zhu)系統“下命令”“做調度(du)”。特定環境下擁(yong)有特殊功能(neng)的(de)自(zi)動載體,這是團隊組建之初便定下的(de)研究(jiu)方向。發展至今,團隊已有水(shui)空兩棲、陸空兩棲、16旋翼大型載人(ren)無人(ren)機、無人(ren)車等四款主(zhu)打載體產(chan)品(pin),主(zhu)要應用于(yu)水(shui)庫巡檢、水(shui)質檢測、電力巡檢、智慧(hui)文旅等民用領(ling)域。

文(wen)/廣州日(ri)報全媒(mei)體記者(zhe)王婧(jing) 通訊員盧迪

圖/廣州(zhou)日報全(quan)媒(mei)體記(ji)者王文宇、黃澤(ze)胤

聰明“大腦”發(fa)令 無人(ren)機能飛也能游

走(zou)進im電競(jing)智能決策與協同控制研(yan)究所,記者一下子(zi)就被(bei)展架上(shang)(shang)一字(zi)排(pai)開的(de)一排(pai)排(pai)無人機所吸引。別看它們(men)外貌相似,功能卻大有不(bu)同,航拍、航測、巡檢、定位……想要無人機做什(shen)么,給(gei)它裝上(shang)(shang)適配的(de)“大腦”,下達相應指令(ling)即(ji)可。

更讓(rang)記者覺得眼前一(yi)亮(liang)的(de)(de),當屬可以“變(bian)身”的(de)(de)水(shui)空(kong)兩棲無人(ren)機。“空(kong)中(zhong)能(neng)飛,水(shui)下能(neng)游”,簡單幾個字,實現起來(lai)卻并不(bu)容(rong)易。“空(kong)中(zhong)飛的(de)(de)時(shi)候是(shi)(shi)旋翼(yi)的(de)(de)形(xing)式,下水(shui)游的(de)(de)時(shi)候就不(bu)能(neng)旋翼(yi)了,旋翼(yi)阻力太大,就要把它收(shou)起來(lai)。”魯仁全介紹,這一(yi)“下”一(yi)“收(shou)”,發揮關(guan)鍵作用的(de)(de)便是(shi)(shi)變(bian)結構無人(ren)自主系統。

不同(tong)于傳(chuan)統(tong)變結(jie)構(gou)控制(zhi)理論,團隊(dui)重點研(yan)究(jiu)機械結(jie)構(gou)突(tu)變、運行(xing)環境突(tu)變和網絡拓撲(pu)突(tu)變的無人自主系統(tong)基(ji)礎理論與(yu)關鍵(jian)技(ji)術,具(ju)有重要的理論和應用價值。正是(shi)團隊(dui)的創新研(yan)究(jiu)成果(guo)“變結(jie)構(gou)姿態控制(zhi)”,得以讓無人機在由(you)空入水(shui)時實現高效平穩姿態控制(zhi)。據了解,這也(ye)是(shi)團隊(dui)的獨有技(ji)術,團隊(dui)因此也(ye)獲評2021年國家自然科學(xue)基(ji)金委創新研(yan)究(jiu)群體項(xiang)目。

“控制(zhi)和(he)校(xiao)正是(shi)同時的(de)(de)(de),如果校(xiao)正時有延時,無(wu)(wu)人(ren)機(ji)就(jiu)掉進(jin)水里了(le)(le)。”魯仁全介紹,這款水空(kong)兩用無(wu)(wu)人(ren)機(ji)有自己的(de)(de)(de)“眼睛”和(he)“耳朵”,除了(le)(le)按(an)照既定的(de)(de)(de)控制(zhi)信號工作(zuo),當它判定周遭環(huan)境發(fa)生了(le)(le)變化,會自動適應校(xiao)正,實時調整參數切(qie)換到水下模式,通過控制(zhi)下潛的(de)(de)(de)角度(du)和(he)深(shen)度(du)等(deng)關鍵(jian)參數,穩(wen)穩(wen)潛入水下。目前,團(tuan)隊已(yi)經具備了(le)(le)獨立研(yan)發(fa)和(he)制(zhi)造變結構無(wu)(wu)人(ren)自主系統的(de)(de)(de)能(neng)力和(he)條件,研(yan)發(fa)的(de)(de)(de)水空(kong)兩用無(wu)(wu)人(ren)機(ji)已(yi)成功應用于水體采(cai)樣、水庫巡檢等(deng)場(chang)景。

此(ci)外,團(tuan)隊還將(jiang)無(wu)(wu)(wu)人機(ji)(ji)和(he)無(wu)(wu)(wu)人艇(ting)結合,解決了無(wu)(wu)(wu)人機(ji)(ji)充電(dian)(dian)的(de)問題。無(wu)(wu)(wu)人機(ji)(ji)電(dian)(dian)池容量有(you)限(xian),因此(ci)巡航(hang)半徑和(he)時間(jian)也有(you)限(xian),在無(wu)(wu)(wu)人艇(ting)的(de)支持下(xia),無(wu)(wu)(wu)人機(ji)(ji)可以自(zi)主(zhu)起飛(fei)、自(zi)主(zhu)降(jiang)落(luo)、自(zi)主(zhu)充電(dian)(dian),將(jiang)其巡航(hang)時間(jian)和(he)距(ju)離拓寬百倍之多(duo)。

協同控制練就(jiu)“好隊(dui)友”

另一款會(hui)“變身”的(de)無人機(ji)是空中能飛(fei)(fei)、地上能跑的(de)陸空兩棲無人機(ji)。魯仁全介紹,其典(dian)型的(de)一個應用場(chang)景(jing)是消防(fang)救援(yuan)(yuan)。如遇火勢較(jiao)大、煙霧(wu)較(jiao)濃等情況,小小無人機(ji)就派(pai)上了大用場(chang)。它可(ke)以從較(jiao)小的(de)縫隙中水(shui)平(ping)飛(fei)(fei)進火場(chang),然(ran)后切換姿態(tai),上下飛(fei)(fei)行進行探測,然(ran)后將(jiang)火場(chang)里的(de)信息傳遞出(chu)來,指導救援(yuan)(yuan)救火工(gong)作。

個(ge)體在(zai)特定環境下單(dan)獨作戰能力超(chao)群(qun)(qun),如何保證多個(ge)載體高效協(xie)(xie)同作業?魯仁全解(jie)釋,在(zai)一(yi)個(ge)編隊里,通(tong)常(chang)會(hui)有領導者(zhe)及其支援體,就(jiu)像一(yi)只(zhi)頭鳥帶領鳥群(qun)(qun)飛向目的(de)地那樣(yang)(yang),每個(ge)成(cheng)員的(de)功(gong)能不一(yi)樣(yang)(yang)。如果有成(cheng)員掉(diao)隊失聯,此時網(wang)絡(luo)拓撲結構(gou)發(fa)生變(bian)化,通(tong)訊(xun)方式也就(jiu)隨(sui)之發(fa)生改變(bian)。不同能力的(de)載體如何協(xie)(xie)作?通(tong)訊(xun)不暢時怎樣(yang)(yang)完成(cheng)任務?這些都是協(xie)(xie)同控(kong)(kong)制(zhi)需要直面(mian)的(de)“難題”,團隊在(zai)協(xie)(xie)同控(kong)(kong)制(zhi)領域(yu)的(de)代表(biao)性研究(jiu)成(cheng)果——異構(gou)無人自(zi)主系統協(xie)(xie)同控(kong)(kong)制(zhi)理論與技術有效解(jie)決(jue)了這一(yi)問題。

“它走的路越(yue)多,會越(yue)來越(yue)聰明。”魯仁全說(shuo),無(wu)人(ren)機也在不斷地積累算法,就像人(ren)類積累經驗那樣,自主學習,慢慢進化(hua)。然(ran)而,載體(ti)本身算力有(you)限,研究(jiu)人(ren)員也會對其進一步迭(die)代升級,通過調整(zheng)參數讓(rang)它更“聰明”。

科研面向經(jing)濟“主戰場”

不在實驗室里“做玩具”

盡管(guan)目前團(tuan)隊研究的無(wu)人機的響應(ying)速度(du)和控制精度(du)已經(jing)基本達(da)到所需(xu)預期,但魯(lu)仁全團(tuan)隊并不(bu)(bu)滿(man)足于此。據透露,智能決策(ce)與協同控制研究所正在搭建這樣一個平臺,所有的載體一旦(dan)起飛,數據就會源(yuan)源(yuan)不(bu)(bu)斷(duan)地傳輸到后(hou)方服務器,進而(er)對(dui)數據進行二次(ci)挖掘,不(bu)(bu)斷(duan)進行優化迭代。“對(dui)自然界未知的探(tan)索是無(wu)法(fa)完全預測的,環(huan)境在不(bu)(bu)斷(duan)地突變,因(yin)此也要(yao)不(bu)(bu)斷(duan)地調整算法(fa)。”魯(lu)仁全說。

據(ju)了解,近五年,團隊成員合(he)作獲得了30余項國家/省(sheng)部級項目(mu)支持。團隊成員各類獎(jiang)項斬獲頗(po)豐,其中(zhong)包括教育部自然科學一等獎(jiang)2項、廣(guang)東(dong)省(sheng)科技進步一等獎(jiang)1項、廣(guang)東(dong)省(sheng)自然科學二等獎(jiang)1項。研究所已(yi)經申請專利100多項,其中(zhong)30多項已(yi)經得到授權。

“國家對我們(men)的(de)投入是很多的(de),我們(men)不能用(yong)這些(xie)投入在(zai)實驗室里‘做(zuo)玩具’,我們(men)要去解決社會經(jing)濟發展(zhan)的(de)問(wen)題。”魯仁全坦言,面向科(ke)技(ji)前沿,團(tuan)隊(dui)(dui)做(zuo)到(dao)了;面向經(jing)濟‘主戰場’,是團(tuan)隊(dui)(dui)迫切需要發力之處(chu)。目前,團(tuan)隊(dui)(dui)正在(zai)和企(qi)業協(xie)作將(jiang)研究成果落地轉化。

一專多(duo)能型團隊

人人都是“多面手”

魯仁(ren)全說,最初,團隊(dui)專攻飛(fei)控(kong)系統(tong)的算(suan)法研究,買來現成的無(wu)人機,在二次開發平臺下專門研究算(suan)法,比(bi)如(ru)無(wu)人機飛(fei)多(duo)高飛(fei)多(duo)遠、怎樣(yang)轉彎、如(ru)何編隊(dui)等。然(ran)而,團隊(dui)很快就發現無(wu)論控(kong)制方(fang)法再好,對于他們想要實(shi)現的特定動作和功(gong)能,機器結構改變(bian)之后并(bing)不(bu)能達到預期。

買(mai)來的無人機(ji)(ji)實(shi)現不(bu)了特定功能怎么辦?自(zi)己做(zuo)!隨著(zhu)自(zi)主(zhu)系統研究的開展,團隊也慢慢變成了“多面(mian)手”,機(ji)(ji)械設計、制造、組裝等都不(bu)在話下(xia)。記者在實(shi)驗(yan)室(shi)看到,3D打(da)印(yin)(yin)機(ji)(ji)、激(ji)光切割機(ji)(ji)、激(ji)光雕刻(ke)機(ji)(ji)……所需設備一應俱全。研究所副教授(shou)陶杰隨手拿起一個螺旋槳葉片介紹道,它就是實(shi)驗(yan)室(shi)用碳纖維原料(liao)通過3D打(da)印(yin)(yin)加(jia)工而成的,重量(liang)和塑料(liao)差不(bu)多,但強度和鋼相當。

“在不(bu)同(tong)特性、不(bu)同(tong)轉速、不(bu)同(tong)力下,機(ji)身不(bu)同(tong)的位(wei)置都(dou)有(you)不(bu)同(tong)的精度(du)要(yao)(yao)求。”魯仁全坦言,如(ru)果去買(mai),市面(mian)上沒有(you)同(tong)一型號的,即(ji)便有(you),成本也很高,團隊索性就自(zi)己動手解決。如(ru)今(jin),除了電池,載體身上的主要(yao)(yao)零部件,甚至(zhi)連伺服電機(ji)都(dou)是(shi)團隊自(zi)主設計(ji)和制作的。

“慢慢就(jiu)做起來(lai)了,越來(lai)越開(kai)闊。”魯仁全(quan)介紹,從最初他(ta)一(yi)人(ren)(ren)“單槍匹馬(ma)”,團隊發展至今已有24位(wei)研究成員(yuan),分協同控制算(suan)(suan)法理論研究、水空無(wu)人(ren)(ren)機(ji)、陸空無(wu)人(ren)(ren)機(ji)、大型無(wu)人(ren)(ren)機(ji)、無(wu)人(ren)(ren)車(che)、智(zhi)能電網巡檢(jian)等7個(ge)研究方向,帶(dai)(dai)領博士后、博士生、碩(shuo)士生共200多人(ren)(ren),專業(ye)范(fan)圍覆蓋機(ji)械、自動化、計算(suan)(suan)機(ji)等多個(ge)領域。就(jiu)在前不久,以魯仁全(quan)為學科帶(dai)(dai)頭人(ren)(ren)的計算(suan)(suan)機(ji)科學與技術(shu)新增(zeng)為一(yi)級學科博士學位(wei)授權點。

團(tuan)隊未來要(yao)(yao)朝哪(na)個(ge)方(fang)向發展,這是魯仁(ren)全必(bi)須思考的(de)(de)問題。為此,團(tuan)隊集體(ti)商(shang)議后(hou)也制定了一些規(gui)(gui)則,不同方(fang)向的(de)(de)每個(ge)具體(ti)位置都(dou)要(yao)(yao)有自己的(de)(de)規(gui)(gui)劃。“不可能(neng)所(suo)有事情都(dou)能(neng)提前規(gui)(gui)劃好,問題往往都(dou)是在做的(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)發現(xian)的(de)(de),在解(jie)決問題中(zhong)重新開始。”魯仁(ren)全說。

廣州日報A14版

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編(bian)輯: 盧迪

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