它記錄美麗，讓人看到云海翻騰的壯觀景象；它帶來便利，令冷鏈保存的藥物幾分鐘送到病人手中；它探索未知，將幽暗曲折的洞穴構建為三維地圖……在過去的幾十年里，小型多旋翼無人機在各種應用中顯示出了巨大潛力，要使這些應用取得成功，它必須能夠在未知環(huán)境躲避障礙，自主規(guī)劃路線。

而張富做的，正是提升無人機性能，使用激光雷達實現自主無人機導航。作為香港大學工程學院機械工程系副教授，短短6年，他便領導火星實驗室交出了一張亮眼的成績單：從激光雷達慣性即時定位與地圖構建技術（SLAM）FAST-LIVO2到自主導航的單旋翼自旋無人機“脈沖星”，再到學界頂級會議、期刊的優(yōu)秀論文。在幫助無人機定義自己飛行軌跡的同時，張富和火星實驗室也在定義他們自己的科研軌跡。

從自動化到無人機

2007年9月，張富走進中國科技大學（以下簡稱“中科大”）。校園里，桂花的淡淡甜香彌漫在空氣中，銀杏在湛藍的天空下閃耀著光芒，梧桐樹葉也將與時間一起貢獻出絢麗的顏色……這個意氣風發(fā)的小伙子懷揣夢想走入管理專業(yè)，期待著自己的大學生活。

大學一年級時，張富想轉專業(yè)，“管理專業(yè)的相關工作多需要與人打交道，相比與人打交道，我更喜歡與客觀事物打交道”。但是學什么呢？自動化系吸引了他?！白詣踊档恼n表既有計算機原理、算法、編程軟件課程，也有數字電路、模擬電子技術、控制實驗等硬件課程。當時，我也沒想好今后要做什么，只是覺得多學一些東西總沒壞處?！本瓦@樣，出于簡單而又懵懂的喜歡，他轉到了自動化系。

說起中科大自動化系，可以追溯到1958年。當年9月，中科大成立，自動化系由中國科學院負責籌建，這也是我國最早創(chuàng)辦的自動化系。幾十年間，自動化系從專注于火箭和衛(wèi)星的自動控制，逐步覆蓋工業(yè)控制、交通、網絡、模式識別及物聯網等多個領域，已成為我國培養(yǎng)高新技術領域各層次高級專門人才的搖籃。

在中科大讀書期間，張富收獲頗豐。“學校開了很多數學、物理方面的課程，為我們打下了深厚的數理基礎，這對理解工程概念、解決工程問題、訓練思維方式、培養(yǎng)科學素養(yǎng)至關重要。我想，這是我最大的收獲。中科大的氛圍自由而純粹，學生有很多課外時間，大家可以根據自己的喜好去發(fā)展。我會去圖書館看書、查資料，總能學到很多新東西，感覺人就像海綿一樣。如今回想起來，這種氛圍是促進或激勵我自發(fā)學習的非常重要的因素?！?/p>

在這里，張富也遇到了很多良師。他的本科導師周荷琴，1973年開始在中科大任教，主要研究磁共振成像系統(tǒng)、醫(yī)學圖像處理、智能交通系統(tǒng)等?！霸谧霎厴I(yè)設計時，周老師給了我很多關心和幫助。由于本科即將畢業(yè)時，我便在老師的實驗室做過一年項目，研究核磁共振成像，所以她對我的研究課題、研究態(tài)度、研究方法都比較清楚，更能針對性地進行指導，也關注我的生活和情緒，在各方面都給予了我極大的支持和理解。”

2011年，張富赴美國加利福尼亞大學伯克利分校求學，4年后獲得控制專業(yè)博士學位?！安死椭锌拼笠粯樱兄杂砷_放的學術環(huán)境。我的導師從來不會告訴我具體該怎么做，而是通過討論來引導我尋找方向，還經常鼓勵我按照自己的方式去探索、去研究。我們的課程設置也很棒，從基礎數學到現代工程學科，系統(tǒng)而且覆蓋全面。”

除了專業(yè)上的成長，張富的獨立能力也得到了訓練?！斑^去，我的衣食住行都可以在學校里解決，但在伯克利，你要去租房子，你得學會適應新的文化環(huán)境。我的心態(tài)也有了轉變，從一個學生成為一個生活在社會上的人?！?/p>

“我在伯克利學的是控制理論和控制工程，這很有意思，但我還想做點更酷的東西?！?014年，機器人開始成為張富的關注對象。

這其中還有一段故事。2013年年底，張富回國度假，但打算返美時學生簽證沒有獲批，“可能覺得我的博士項目比較敏感吧”。雖然撰寫博士論文可以通過遠程方式和導師溝通，但精力充沛的張富還想開拓些新的研究方向。就在這時，他遇到了香港科技大學電子與計算機工程學系教授李澤湘。李澤湘是著名的機器人與自動化領域專家。1979年，他作為中國首批公派本科生赴美留學，也曾在加利福尼亞大學伯克利分校學習，1992年開始任香港科技大學電子工程系教授，創(chuàng)辦了自動化技術中心和機器人研究所。他開辟與發(fā)展了機器人在非完整約束環(huán)境下的運動規(guī)劃這一重要學術領域，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、東莞市李群自動化技術有限公司、廣東逸動科技有限公司等享有盛名的公司皆由其學生創(chuàng)立。

此后，張富在香港科技大學機器人研究所做研究助理教授，幫李澤湘教授帶垂直起降無人機項目?！白詣踊刂坪蜔o人機雖然有相通之處，但還是有很多新的東西需要學習。我從零開始學習無人機工作原理，從電機到螺旋槳再到驅動?！?/p>

FAST-LIVO2如何實現高效準確

2018年8月，張富入職香港大學機械工程系任助理教授，開始組建自己的研究團隊——火星實驗室。同時，他也在謀劃研究方向，一方面是此前自己比較熟悉的無人機領域，另一方面是激光雷達。“激光雷達行業(yè)正經歷著快速而深刻的變革，我認為，激光雷達傳感器不久之后將會成為無人機乃至整個機器人領域非常重要的傳感器?！?/p>

傳感器技術從根本上決定著機器人環(huán)境感知技術的發(fā)展，目前主要有激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波傳感器、GPS五類傳感器。其中唯有激光雷達可以獲取周圍物體精確位置信息，能夠實時重建3D世界，相當于機器人的“眼睛”。激光雷達發(fā)出一個紅外光電，這個光電反彈回來，被激光雷達的接收器捕捉，由于光速是一定的，只要記錄接受反射光用的時長，就能計算出障礙物的距離。向不同的方向發(fā)射光電，就能算出各個方向上障礙物的距離，并勾勒出它的形狀。當光電變成連續(xù)的光束，就能判斷物體是靜還是動，動得是快還是慢。由于光速極快，所以這個判斷過程幾乎是實時的。激光雷達最多可以發(fā)出數百道光束，當這些光束旋轉起來，每秒能發(fā)出數百萬個光電，就能360度探測周圍環(huán)境，無論是距離數百米的物體，還是突然冒出來的小動物，它都能識別。

如何利用激光雷達傳感器獲取的海量數據，還需SLAM讓機器人在未知環(huán)境中進行自主導航。由于SLAM能夠實時估計位姿并重建地圖，它也成為各種機器人導航任務中不可或缺的工具。

2019年，張富帶領團隊開始研究激光雷達傳感器，尤其是激光雷達SLAM系統(tǒng)，但這并不容易。視覺和激光雷達SLAM在各自領域表現出良好的潛力，但它們各自固有的局限性在不同場景中限制了其性能。FAST-LIVO是一種快速激光雷達（LiDAR）慣性-視覺里程計系統(tǒng)，它建立在兩個緊耦合的直接里程計子系統(tǒng)之上：LiDAR-慣性里程計（LIO）子系統(tǒng)和視覺-慣性里程計（VIO）子系統(tǒng)，但高效且準確的LiDAR-慣性-視覺里程計（LIVO）和建圖仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

張富認為，挑戰(zhàn)主要表現在4方面?！耙皇钦麄€LIVO系統(tǒng)需要處理LiDAR測量數據（每秒數百到數千萬個點）及高頻率、高分辨率的圖像。為了充分利用這些大量數據，特別是在有限的機載資源下，需要極高的計算效率。二是許多現有系統(tǒng)通常采用LiDAR-慣性里程計（LIO）子系統(tǒng)和視覺-慣性里程計（VIO）子系統(tǒng)，各自需要從視覺和LiDAR數據中提取特征以減少計算負荷，然而，在缺乏結構或紋理的環(huán)境中，這一特征提取過程往往導致特征點的不足。此外，為了優(yōu)化特征提取，還需要進行廣泛的工程調整，以適應LiDAR掃描模式和點密度的變化。三是為了減少計算需求并實現相機和LiDAR測量的更緊密集成，需要一個統(tǒng)一的地圖來同時管理稀疏點和觀察到的高分辨率圖像測量。然而，設計和維護這樣一個地圖是一個特別具有挑戰(zhàn)性的任務，需考慮到LiDAR和相機的異構測量數據。四是為了確保重建的彩色點云的準確性，姿態(tài)估計需要達到像素級的精度。實現這一標準帶來了相當大的挑戰(zhàn)：精確的硬件同步、LiDAR和相機之間外部參數的嚴格預校準、曝光時間的精確恢復，以及能夠在實時中達到像素級精度的融合策略?！?/p>

2021年，張富團隊提出了FAST-LIVO2?！斑@是一個高效的LIVO系統(tǒng)，它通過慣序更新的誤差狀態(tài)迭代卡爾曼濾波器（ESIKF）緊耦合了激光雷達、圖像和IMU測量。在IMU傳播的先驗信息基礎上，系統(tǒng)狀態(tài)按順序首先通過激光雷達測量進行更新，然后通過圖像測量進行更新，兩者都基于單一的統(tǒng)一體素地圖，并采用直接法。具體來說，在激光雷達更新中，系統(tǒng)將原始點配準到地圖中以構建和更新其幾何結構；在視覺更新中，系統(tǒng)重用激光雷達地圖點作為視覺地圖點，而無需從圖像中提取、三角測量或優(yōu)化任何視覺特征。在地圖中選擇與先前觀察到的參考圖像塊相關聯的視覺地圖點，然后投影到當前圖像上，通過最小化直接光度誤差（稀疏圖像對齊）來調整其姿態(tài)。為了提高圖像對齊的準確性，FAST-LIVO2動態(tài)更新參考圖像塊，并使用從激光雷達點獲得的平面先驗。為了提高計算效率，FAST-LIVO2使用激光雷達點來識別當前圖像中可見的視覺地圖點，并在沒有激光雷達點的情況下進行按需體素射線投射。FAST-LIVO2還實時估計曝光時間以處理劇烈光照變化?！?/p>

橫空出世的“脈沖星”

在未知而黑暗的洞穴中，兩顆小球從一位飛船組員的手中一躍而起，開始自動為整個洞穴建立3D模型……這是科幻電影《普羅米修斯》中的一幕。無人機在很大程度上依賴視覺傳感器來感知障礙物和探索環(huán)境?，F實中，由于傳感器視場較小，無人機在感知能力和任務效率方面都受到限制。如今，香港大學火星實驗室設計的“脈沖星”（PULSAR）無人機將電影變?yōu)楝F實。

“脈沖星”配備了微型機載計算機和激光雷達，實現了完全自主的感知、建圖、規(guī)劃和控制，無論在室內還是室外環(huán)境都不需要外部設備輔助；而且利用動力飛行，不需要驅動雷達傳感。張富說：“無人機通常需要從上下、前后、左右3個方向去控制，這樣聽起來需要3個方向獨立的執(zhí)行器，但‘脈沖星’是單執(zhí)行器，那么如何用一個電機去控制無人機在3個方向的移動，就是一個很大的挑戰(zhàn)。我們引入了一種特殊機構——無協盤機構。它最初是賓夕法尼亞大學提出來的，我們對它進行了改進?！痹诿看温菪龢D時通過改變電機速度來調整一次，從而實現高控制率，提高了無人機的整體敏捷性和控制精度。同時，電機反扭矩自然地驅動無人機機身旋轉，利用這個自旋運動來擴展傳感器視場，而無需添加額外的動力執(zhí)行器，有效地減少了執(zhí)行器引起的能量損失和組件重量，這些都有助于降低整體功耗。

為什么被命名為“脈沖星”，張富解釋道：“它的自旋運動和激光雷達光束的掃描模式，與天文學上的脈沖星在直覺上十分相似。”

在環(huán)境探索和多方向動態(tài)避障方面的實驗，結果顯示“脈沖星”可以在不依賴任何外部設備輔助的情況下，在未知環(huán)境中執(zhí)行自主導航并且實時探測環(huán)境中的靜態(tài)和動態(tài)障礙物。它還可以在夜間進行全自動導航，展現了其航行性能不受光照條件的影響。此外，它能應對外部風擾。即便在最大風速4.5米/秒的風擾下，“脈沖星”仍然能夠維持它的懸停位置于一個小范圍內。這些特性使飛行器在野外環(huán)境中更加安全及穩(wěn)定。

除了上述能力外，傳感器亦能通過其固有的自旋運動以拓展其視場大小，這能提升無人機的感知能力和任務效率。目前，主要有兩種方法用于拓展傳感器視場，它們的共同點是整體功耗大。其中一種方法是使用大視場的傳感器，如魚眼相機、自反射相機或360度激光雷達。然而魚眼相機和自反射相機往往會存在顯著的變形，360度激光雷達在豎直方向上的視場仍然較窄且分辨率較低。另一種方法是同時使用多個傳感器，如多相機系統(tǒng)或多激光雷達系統(tǒng)，可是多傳感器系統(tǒng)會帶來額外的成本和較長的數據處理時間。同樣，采用云臺系統(tǒng)去拓展視場也會帶來相似的問題。

“脈沖星”與具有相同槳葉面積和載荷的四旋翼無人機相比，能夠節(jié)省26.7%的能量消耗，同時保持良好的靈活性。由于使用了單執(zhí)行器，“脈沖星”的動力系統(tǒng)具備了更高的能量轉化效率，使整體效率達到了每瓦6.65克。僅憑借直徑只有37.6厘米的螺旋槳和容量為41瓦時的小容量電池，這個重達1234克的無人機實現了超過12分鐘的懸停時間。如果卸下激光雷達并安裝更大的槳葉和電池，“脈沖星”的懸停時間更能超過40分鐘。

過往與未來

十幾年一路走來，對張富而言，是求索，是成長，是腳踏實地。

十幾年的求索，張富在不同的研究課題中尋找自己的方向?！安┦侩A段我做了兩個課題，一是硬盤讀寫磁頭的伺服控制，二是積分式陀螺儀的標定和控制。在香港科技大學，我做垂直起降無人機的設計和控制。在香港大學我主要是做兩個方向的研究，一是無人機，包括設計、導航、規(guī)劃、控制等；二是基于激光雷達的定位和建圖算法研究?！?/p>

這些看似不同方向的背后，又有著相同?！皩W科之間有很多共通共融之處，學習新的學科，不需要花太多時間。它背后的思考邏輯和方式方向是一樣的，只是解決的問題不同而已。”相同的，還有一如既往的興趣、尊嚴與責任。“一是興趣，我很幸運，能把興趣變成事業(yè)。二是2013年簽證被拒，我們在這方面的技術是不如美國，但求學被懷疑為偷技術，這讓人無法理解，也很不甘心。所以，我想在這個領域做點有意義的事。三是科研人員的責任感，我們做的工作不能僅停留在發(fā)文章上，還需要真正跟國家需求結合起來，為國家發(fā)展貢獻一份力量。”

十幾年的成長，曾經孜孜以學、難忘師恩的學生成為誨人不倦的教師、攻堅克難的團隊負責人?！白鳛槔蠋?，面對科研，我要求有點高，也比較嚴厲，所以，我的學生可能并不輕松。其實每個能進入實驗室的學生，對自己的要求都很高。有些學生對自己要求之高，可能遠超老師對他的要求，我反而需要引導他們：不要給自己太大壓力。學習以外，我也能夠跟大家打成一片?！庇龅嚼щy時，他則從嚴師轉變?yōu)橐龑д??！拔視v述自己對這些問題的認識，跟學生充分討論，然后一起制訂行動方案。同時，給他們更大的自由度，讓他們去嘗試、去發(fā)揮。目前，我們遇到很多的問題基本可以迎刃而解。”

張富帶領火星實驗室獲得了2023年智能機器人與系統(tǒng)國際會議（IROS）機器人機制與設計最佳論文獎，并入選《IEEE/ASME機械電子學匯刊》2023年最佳論文獎提名，兩次獲得2023年IROS最佳論文獎提名，以及2023年國際機器人與自動化會議（ICRA）杰出導航論文提名。他還主持過多項和大疆、華為、中國電科等企業(yè)的合作項目，并在這個過程中受益頗多?！霸诟I(yè)界合作過程中，我們能夠去一線了解工業(yè)界面臨的現實問題是什么、需要什么，用以指導我們的學術研究方向。”

十幾年的腳踏實地，讓張富在忙碌中依舊保持著平和從容的心態(tài)?！捌綍r工作確實挺忙的，但我沒覺得科研壓力太大。我很享受和大家一起探討問題、頭腦風暴，共同努力解決問題，一旦有進展會特別有成就感和愉悅感。研究過程中的點滴，都讓我覺得很充實、很有意義。平臺、經費，是一個水到渠成的事情，工作做出來了，大家自然會認可?！笨蒲兄杏欣щy嗎？有。他說最難的是找無人機飛行實驗場地?！靶枰松俚拈_闊處，這樣的地方在香港比較難找。”他說，“有時要去元朗山里，不但要扛著設備爬山，還要忍受蚊蟲的叮咬?！彼?，熱愛所系，山?？善?，成果總能一次又一次燃起張富的自信。就在最近，他還帶領團隊在《科學·機器人技術》（Science Robotics）上發(fā)表了最新的階段性科研成果，他們勠力同心，實現了無人機的高速避障導航，為我國未來在此領域的發(fā)展進一步指明了航向。

凡是過往，皆為序章；凡是未來，皆有可期。對于無人機、SLAM的未來，張富一向充滿希望?！拔覀儗^續(xù)深研，一是探索不同的無人機構型，讓它針對性更強、效率更高、適應性更好；二是往更大和更小兩個端去走，更大是指載荷能力更大、成本更低的無人機，更小是指研究一些更小、更輕便的無人機；三是與AI發(fā)展結合起來，例如通過強化學習等方法，更大程度利用無人機的潛力?！蹦切┻^往的求學、科研軌跡交匯于此，以高光照亮著屬于他的遠方。