宋韜

目標(biāo)無人機(jī)

本次穆罕默德本扎耶德國際挑戰(zhàn)賽包括三項(xiàng)挑戰(zhàn)項(xiàng)目。“挑戰(zhàn)一”要求多個無人機(jī)自主搜索、識別、刺破在場地中央隨機(jī)擺放的五個氣球，并自動跟蹤一架在競技場內(nèi)的按三維隨機(jī)軌跡移動的目標(biāo)無人機(jī)，抓取懸掛于目標(biāo)無人機(jī)下方的黃色小球，并投放到指定區(qū)域。“挑戰(zhàn)二”中，無人機(jī)和無人車在室外環(huán)境中協(xié)作完成自動定位、拾取、運(yùn)輸和組裝不同類型、顏色的磚形物體，按照給定的圖案及進(jìn)行搭建?！疤魬?zhàn)三”中，無人機(jī)和無人車需協(xié)作，在城市高層建筑消防場景中自動撲滅一系列模擬火災(zāi)。

比賽中，北京理工大學(xué)的“飛鷹隊(duì)”作為唯一一支來自中國的隊(duì)伍，擊敗卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、弗吉尼亞理工、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、東京大學(xué)和法國國家科研中心等29支國際頂級院校和研究機(jī)構(gòu)的參賽隊(duì)伍，在“多機(jī)協(xié)作自主空中奪球”項(xiàng)目中以全場唯一一個滿分的成績奪得桂冠！

“飛鷹隊(duì)”原定參加全部三項(xiàng)挑戰(zhàn)，受疫情等影響挑戰(zhàn)二和三的主力隊(duì)員無法按時歸隊(duì)，“飛鷹隊(duì)”最終參加了“挑戰(zhàn)一”項(xiàng)目。比賽當(dāng)天，在阿聯(lián)酋國家展覽中心，一個類似足球場的場地上空中有一架無人機(jī)拖著一個直徑13cm黃色小球以三維空間“8”字形軌跡自由飛行，地面隨機(jī)放有五個兩米左右高的桿，桿上放著直徑40cm左右自由飄動的綠色氣球，用于干擾。要求參賽無人機(jī)用最短時間自主追蹤目標(biāo)機(jī)抓取黃色小球，同時刺破桿子上放置的干擾球。

“飛鷹隊(duì)”比賽三架無人機(jī)一鍵自主起飛后，先自主規(guī)劃搜索路徑，識別到目標(biāo)機(jī)和綠色氣球后，以任務(wù)完成時間最小為優(yōu)化目標(biāo)，自主規(guī)劃任務(wù)分配?！白デ颉睙o人機(jī)自動規(guī)劃航跡飛至追蹤起始點(diǎn)，鎖定目標(biāo)無人機(jī)，并實(shí)現(xiàn)自主跟蹤和精準(zhǔn)抓取?！按糖颉睙o人機(jī)自主識別綠色氣球在場中央的擺放位置，以所走路程最短為優(yōu)化目標(biāo)，自主規(guī)劃航跡，利用機(jī)上“針刺”裝置對目標(biāo)進(jìn)行刺破。最終，“飛鷹隊(duì)”出色完成挑戰(zhàn)一項(xiàng)目所有任務(wù)，以全場唯一一個滿分成績贏得比賽。

“挑戰(zhàn)一”主要測試三項(xiàng)技術(shù)：視覺識別與感知、導(dǎo)航與控制、多機(jī)自主協(xié)同。

視覺識別與感知技術(shù)讓無人機(jī)能夠可靠地“看”和“識”，攝像機(jī)可以理解為機(jī)器的眼睛，如何處理視覺數(shù)據(jù)則需要機(jī)載計(jì)算機(jī)和算法的相互配合。人類大腦約百分之七十的計(jì)算都是用來處理視覺信息，同樣機(jī)器視覺對于算法和計(jì)算力要求極大。在比賽中，視覺識別主要有以下技術(shù)難點(diǎn)：一是目標(biāo)無人機(jī)掛的球很小，速度又比較快，可能還沒等原來的圖像處理完成，黃球就飛走了，這就需要我們提高圖像處理識別的速度;二是比賽場景復(fù)雜，常常有戴黃色安全帽的工作人員走來走去，且目標(biāo)球尺寸太小，甚至?xí)艿焦庹盏韧獠織l件的影響，這些問題，都給圖像識別帶來很多挑戰(zhàn)。

北理工團(tuán)隊(duì)研發(fā)了先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，提高了對目標(biāo)的搜索效率和探測能力。

目標(biāo)自動識別與感知技術(shù)在軍事和民用方面都有著十分廣泛的應(yīng)用， 軍事方面包括無人飛行器、精確制導(dǎo)、空中預(yù)警和戰(zhàn)場監(jiān)視等;民用方面包括移動機(jī)器人、智能視頻監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

導(dǎo)航與控制技術(shù)是要實(shí)現(xiàn)對空中快速運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤和抓取，機(jī)載計(jì)算機(jī)可以看作是無人機(jī)的“大腦”，旋翼可以看作是無人機(jī)的“手腳”，更快更準(zhǔn)地完成任務(wù)就需要“大腦”與“手腳”的配合。

參賽無人機(jī)

地面綠色氣球

比賽設(shè)定目標(biāo)無人機(jī)在空中繞軌跡和方向都未知的“8”字運(yùn)動，速度為8m/s。針對目標(biāo)無人機(jī)運(yùn)動狀態(tài)未知這個難點(diǎn)，開發(fā)了自主導(dǎo)航智能控制算法，北理工參賽無人機(jī)先懸停搜索觀察目標(biāo)，自主預(yù)測目標(biāo)運(yùn)動軌跡并自主規(guī)劃有利于抓球的最佳跟蹤路徑。北理工參賽無人機(jī)沿著最優(yōu)路徑自主飛行到最佳追捕位置后，啟動自主導(dǎo)航智能算法加速追擊目標(biāo);當(dāng)接近目標(biāo)時將速度降至和目標(biāo)保持一致。未來這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于無人機(jī)目標(biāo)的管控、無人機(jī)自主回收、空中加油、空域安全防護(hù)等任務(wù)領(lǐng)域。

上：備賽區(qū)? ?下：團(tuán)隊(duì)成員

多機(jī)自主協(xié)同技術(shù)是要實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境下多任務(wù)多目標(biāo)的快速任務(wù)分配和協(xié)同控制，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套協(xié)同任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，讓無人機(jī)彼此之間“相互交流”，通過“交流協(xié)商”來明確誰對空中運(yùn)動小球的實(shí)施抓取，誰對地面若干固定氣球的執(zhí)行刺破。

這些技術(shù)成功應(yīng)用于比賽過程中，完成了對復(fù)雜環(huán)境下空中抓球、地面刺球多目標(biāo)任務(wù)的快速任務(wù)分配與協(xié)同控制。未來可應(yīng)用于空天地?zé)o人智群一體化組網(wǎng)、空地一體綠色農(nóng)業(yè)、戰(zhàn)場多點(diǎn)覆蓋偵察等任務(wù)場景中。

“飛鷹”隊(duì)面對在國際人工智能前沿領(lǐng)域的強(qiáng)敵，如“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)文明發(fā)源地”賓夕法尼亞大學(xué)，以計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)器人學(xué)享譽(yù)全球的卡耐基梅隆大學(xué)，法國最大科研機(jī)構(gòu)法國國家科研中心等，在“挑戰(zhàn)一”項(xiàng)目中，“飛鷹隊(duì)”能摘得桂冠，并呈上全場唯一一份滿分答卷，十分不易。

責(zé)任編輯：陳曉麗