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让微型空中机器人灵活飞落至移动平台，浙大团队有新玩法
新闻报道
2022年06月04日 15:10 403
admin
随着空中机器人技术的日新月异，让机器人像鸟儿般自由飞行似乎已不再困难，但如何让飞行中的机器人也如鸟儿灵活平稳地落在各种平台上，对科学家们而言，仍然是一大挑战。
而近日，由浙江大学控制科学与工程学院高飞团队研发的新一代微型空中机器人，向这个目标又迈进了一步。这些手掌大小的微型空中机器人，成功实现了在室内环境中自主飞落至不同倾斜角度、距离的平面，乃至车载和手持的移动平台上。小家伙们能够在极短的时间内规划出最优飞落轨迹，自主调整终端姿态和飞行速度，平稳又安全地完成飞落任务。
此前，该团队曾成功研发出的微型且完全自主的空中机器人，能够在高度混乱的野外环境中，根据机载传感器提供的有限信息实现集群飞行。相关的成果以封面论文的形式刊登在今年5月的国际顶级科学杂志《科学·机器人》（SCIENCE ROBOTICS）上。
“研究空中机器人飞落至不同平台的重要意义，是让机器人在执行监测、采样和充电等任务时节省能量消耗。”研究主要参与者之一、浙大控制科学与工程学院在读博士纪佳林向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍。
“现有国内外研究者的方法，通常是人为地给定机器人终端姿态和速度，这容易导致机器人在没有充足空间的情况下，出现动力学可行性和避障安全性的冲突问题。”纪佳林对澎湃新闻说，“此外，这些方法不能在保证高效运算的前提下处理各项复杂约束。”
通常情况下，对空中机器人而言，一条最优的飞落轨迹有三大要求。首先，机器人要能自主实现飞落前的末端状态调整，这包括自主计算出轨迹的飞行时间和飞落前的速度。
其次，机器人要能够安全躲避障碍物，例如在飞行过程中不能触碰到地面等障碍物，同时到最后一刻才与飞落平台接触，这就需要复杂的刚体运动规划。最后，由于系统感知的误差和移动平台自身的运动, 机器人飞行轨迹还需要进行高频的重规划。
基于这些考虑，团队提出了一种高效联合优化方法，能够生成满足以上要求的时空最优的飞落轨迹。与现有方案相比，该方法能够让空中机器人自动调整末端状态，并在满足动力学可行性和避障安全性的前提下，实现飞落末端的切向速度最小化，以尽量减少机器人与平台的剐蹭。这一特性对于微型体积的空中机器人、以及在逼仄环境中完成飞落任务而言，尤为重要。
此外，团队的方法使用了一种灵活的优化变量转换策略，既能消除复杂的末端约束又可降低优化变量的维度。同时，这一方法使得机器人在接近目标时能够通过精确的刚体运动学模型，实现平稳又安全地飞落至目标平面。
在已经公布的实验视频里，研究者手持一个含铁的白板在房间内缓缓走过，白板的倾斜角度从水平到竖直不等，在各个场景中，微型空中机器人均经过一条路径的飞行后，准确又灵巧地停落在白板上。据介绍，机器人飞落轨迹生成时间在20毫秒以内，在实验中使用热启动的重规划更是仅需2毫秒，相比之下，使用非线性模型预测控制、达到相似效果的方法需要10倍以上的计算时间。
未来该研究还有进一步提升的空间。纪佳林告诉澎湃新闻，团队目前的实验都是在室内条件下完成，需要配套的运动捕捉系统(反光球、红外装置等)帮助空中机器人对目标进行识别和定位。此外，移动平台的速度目前仍较为有限，仅限于1米/秒以下。未来，随着相关系统工作的完善，空中机器人们或能实现对飞落目标更高精度的自主识别和定位，从而在更广阔的空间里挑战更多飞落任务。
而近日，由浙江大学控制科学与工程学院高飞团队研发的新一代微型空中机器人，向这个目标又迈进了一步。这些手掌大小的微型空中机器人，成功实现了在室内环境中自主飞落至不同倾斜角度、距离的平面，乃至车载和手持的移动平台上。小家伙们能够在极短的时间内规划出最优飞落轨迹，自主调整终端姿态和飞行速度，平稳又安全地完成飞落任务。
此前，该团队曾成功研发出的微型且完全自主的空中机器人，能够在高度混乱的野外环境中，根据机载传感器提供的有限信息实现集群飞行。相关的成果以封面论文的形式刊登在今年5月的国际顶级科学杂志《科学·机器人》（SCIENCE ROBOTICS）上。“研究空中机器人飞落至不同平台的重要意义，是让机器人在执行监测、采样和充电等任务时节省能量消耗。”研究主要参与者之一、浙大控制科学与工程学院在读博士纪佳林向澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍。
“现有国内外研究者的方法，通常是人为地给定机器人终端姿态和速度，这容易导致机器人在没有充足空间的情况下，出现动力学可行性和避障安全性的冲突问题。”纪佳林对澎湃新闻说，“此外，这些方法不能在保证高效运算的前提下处理各项复杂约束。”
通常情况下，对空中机器人而言，一条最优的飞落轨迹有三大要求。首先，机器人要能自主实现飞落前的末端状态调整，这包括自主计算出轨迹的飞行时间和飞落前的速度。
其次，机器人要能够安全躲避障碍物，例如在飞行过程中不能触碰到地面等障碍物，同时到最后一刻才与飞落平台接触，这就需要复杂的刚体运动规划。最后，由于系统感知的误差和移动平台自身的运动, 机器人飞行轨迹还需要进行高频的重规划。
基于这些考虑，团队提出了一种高效联合优化方法，能够生成满足以上要求的时空最优的飞落轨迹。与现有方案相比，该方法能够让空中机器人自动调整末端状态，并在满足动力学可行性和避障安全性的前提下，实现飞落末端的切向速度最小化，以尽量减少机器人与平台的剐蹭。这一特性对于微型体积的空中机器人、以及在逼仄环境中完成飞落任务而言，尤为重要。
此外，团队的方法使用了一种灵活的优化变量转换策略，既能消除复杂的末端约束又可降低优化变量的维度。同时，这一方法使得机器人在接近目标时能够通过精确的刚体运动学模型，实现平稳又安全地飞落至目标平面。
在已经公布的实验视频里，研究者手持一个含铁的白板在房间内缓缓走过，白板的倾斜角度从水平到竖直不等，在各个场景中，微型空中机器人均经过一条路径的飞行后，准确又灵巧地停落在白板上。据介绍，机器人飞落轨迹生成时间在20毫秒以内，在实验中使用热启动的重规划更是仅需2毫秒，相比之下，使用非线性模型预测控制、达到相似效果的方法需要10倍以上的计算时间。
未来该研究还有进一步提升的空间。纪佳林告诉澎湃新闻，团队目前的实验都是在室内条件下完成，需要配套的运动捕捉系统(反光球、红外装置等)帮助空中机器人对目标进行识别和定位。此外，移动平台的速度目前仍较为有限，仅限于1米/秒以下。未来，随着相关系统工作的完善，空中机器人们或能实现对飞落目标更高精度的自主识别和定位，从而在更广阔的空间里挑战更多飞落任务。(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
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