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【广州日报】看!会“变身”的无人机

2021年11月24日     来源:九州体育 _showDynClicks("wbnews", 1674704880, 14542) 次浏览

水空两栖无(wu)人机

鲁仁全(quan)

陆空(kong)两栖无人机

科技(ji)赋(fu)能生活,说起(qi)无人机,很多人不再觉得稀(xi)奇(qi)。但是(shi),会“变身(shen)(shen)”的(de)无人机,你见过吗(ma)?本期“趣(qu)探实验室”走进九州体育(yu)智(zhi)能决策与协同控制研究所(suo),看这里的(de)无人机如何机智(zhi)“变身(shen)(shen)”,玩转水陆空(kong)。

研究所(suo)(suo)在(zai)做什么?长江学者(zhe)、国家杰青、九州体育(yu)智能(neng)(neng)决策与协(xie)同(tong)(tong)控制研究所(suo)(suo)所(suo)(suo)长鲁仁全解释,理论(lun)上(shang)来说,实验室重点研究智能(neng)(neng)决策和(he)协(xie)同(tong)(tong)控制,通俗地说,就是通过算法给无(wu)人(ren)自主(zhu)系统“下命令”“做调度”。特定环境下拥有特殊(shu)功能(neng)(neng)的(de)自动载体,这是团队组建之(zhi)初便定下的(de)研究方(fang)向。发展至今,团队已有水空两栖、陆空两栖、16旋翼大(da)型载人(ren)无(wu)人(ren)机、无(wu)人(ren)车等四款主(zhu)打载体产品,主(zhu)要应用于(yu)水库巡(xun)检、水质检测(ce)、电力巡(xun)检、智慧文(wen)旅等民用领(ling)域。

文/广州(zhou)日(ri)报全媒体记(ji)者王婧(jing) 通讯员卢迪

图/广州(zhou)日报全媒体记者(zhe)王文宇、黄(huang)泽胤

聪明“大脑(nao)”发(fa)令(ling) 无人机能飞也能游(you)

走进九州体育(yu)智(zhi)能(neng)决策与协同(tong)控(kong)制研究所,记者一(yi)下(xia)子就被展架上一(yi)字排开的(de)(de)一(yi)排排无人机(ji)所吸引。别看它们外貌相(xiang)似,功能(neng)却大有(you)不同(tong),航(hang)拍、航(hang)测、巡检(jian)、定(ding)位……想要无人机(ji)做(zuo)什么,给它装上适配的(de)(de)“大脑”,下(xia)达相(xiang)应指令即可。

更让记(ji)者觉(jue)得眼前一亮的,当(dang)属可(ke)以“变身(shen)”的水空两栖无(wu)人(ren)机。“空中(zhong)能飞,水下能游”,简(jian)单几个字,实现起(qi)来却并不容(rong)易。“空中(zhong)飞的时候是旋翼的形式,下水游的时候就不能旋翼了,旋翼阻力太大,就要把它收起(qi)来。”鲁(lu)仁全(quan)介绍,这(zhei)一“下”一“收”,发挥关键作用的便是变结构无(wu)人(ren)自主系统。

不同于传统变结构(gou)控制(zhi)(zhi)理(li)论,团(tuan)队(dui)重点研究机械(xie)结构(gou)突变、运行环(huan)境突变和网络拓扑突变的(de)无人自(zi)主系(xi)统基础理(li)论与关键技术(shu),具有(you)重要的(de)理(li)论和应用价值。正是(shi)团(tuan)队(dui)的(de)创(chuang)新研究成果“变结构(gou)姿(zi)态(tai)控制(zhi)(zhi)”,得以让无人机在由空入水(shui)时实现高(gao)效平稳姿(zi)态(tai)控制(zhi)(zhi)。据了(le)解,这也是(shi)团(tuan)队(dui)的(de)独(du)有(you)技术(shu),团(tuan)队(dui)因(yin)此也获评2021年国(guo)家自(zi)然科学基金委创(chuang)新研究群体项(xiang)目。

“控制(zhi)和校(xiao)正(zheng)是(shi)同时的(de)(de),如(ru)果校(xiao)正(zheng)时有延(yan)时,无人机就掉(diao)进(jin)水(shui)里了(le)(le)。”鲁(lu)仁全介绍,这(zhei)款水(shui)空两用(yong)无人机有自(zi)(zi)己(ji)的(de)(de)“眼睛”和“耳朵”,除了(le)(le)按照既(ji)定的(de)(de)控制(zhi)信号工作(zuo),当它判定周遭环(huan)境发生了(le)(le)变化,会自(zi)(zi)动适应校(xiao)正(zheng),实时调整参数切(qie)换(huan)到(dao)水(shui)下模式,通过控制(zhi)下潜的(de)(de)角度(du)和深度(du)等(deng)关键参数,稳稳潜入(ru)水(shui)下。目(mu)前,团队已经具备了(le)(le)独立研(yan)发和制(zhi)造变结构无人自(zi)(zi)主系(xi)统的(de)(de)能力和条件(jian),研(yan)发的(de)(de)水(shui)空两用(yong)无人机已成功应用(yong)于(yu)水(shui)体采(cai)样、水(shui)库巡检(jian)等(deng)场(chang)景。

此(ci)外(wai),团(tuan)队还将无人(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)和无人(ren)(ren)(ren)(ren)艇(ting)结合,解决(jue)了无人(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)充(chong)电(dian)(dian)的(de)问题。无人(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)电(dian)(dian)池(chi)容量有限,因此(ci)巡航半径和时(shi)间也(ye)有限,在(zai)无人(ren)(ren)(ren)(ren)艇(ting)的(de)支持下,无人(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)可以自主(zhu)起飞、自主(zhu)降落、自主(zhu)充(chong)电(dian)(dian),将其巡航时(shi)间和距(ju)离(li)拓宽百倍之多(duo)。

协(xie)同控制练(lian)就“好队友”

另一款(kuan)会“变身”的(de)(de)无(wu)(wu)(wu)人(ren)(ren)(ren)机(ji)是(shi)空中(zhong)能飞(fei)、地上(shang)(shang)能跑的(de)(de)陆空两栖(qi)无(wu)(wu)(wu)人(ren)(ren)(ren)机(ji)。鲁仁全(quan)介绍(shao),其典型的(de)(de)一个应用(yong)场(chang)景是(shi)消防救(jiu)援(yuan)(yuan)。如(ru)遇火势(shi)较(jiao)大、烟雾较(jiao)浓等(deng)情况,小小无(wu)(wu)(wu)人(ren)(ren)(ren)机(ji)就派上(shang)(shang)了大用(yong)场(chang)。它可(ke)以从较(jiao)小的(de)(de)缝隙(xi)中(zhong)水(shui)平飞(fei)进火场(chang),然后切换姿(zi)态,上(shang)(shang)下飞(fei)行(xing)进行(xing)探测,然后将火场(chang)里(li)的(de)(de)信息传递出(chu)来(lai),指导救(jiu)援(yuan)(yuan)救(jiu)火工作。

个(ge)体(ti)在(zai)特(te)定(ding)环境下单(dan)独作(zuo)战能(neng)(neng)力超群,如(ru)(ru)何保证多个(ge)载体(ti)高效(xiao)协(xie)同(tong)作(zuo)业(ye)?鲁仁全解释,在(zai)一(yi)(yi)个(ge)编队里,通(tong)(tong)常(chang)会有(you)领导(dao)者及其支援体(ti),就(jiu)像一(yi)(yi)只头(tou)鸟带领鸟群飞(fei)向目的地那(nei)样,每个(ge)成(cheng)(cheng)(cheng)员(yuan)(yuan)的功能(neng)(neng)不一(yi)(yi)样。如(ru)(ru)果有(you)成(cheng)(cheng)(cheng)员(yuan)(yuan)掉队失联,此时网络拓扑结构发(fa)生(sheng)变化,通(tong)(tong)讯方式也就(jiu)随之(zhi)发(fa)生(sheng)改变。不同(tong)能(neng)(neng)力的载体(ti)如(ru)(ru)何协(xie)作(zuo)?通(tong)(tong)讯不畅(chang)时怎样完(wan)成(cheng)(cheng)(cheng)任务?这些都(dou)是协(xie)同(tong)控(kong)制需要直面的“难题”,团队在(zai)协(xie)同(tong)控(kong)制领域(yu)的代(dai)表(biao)性(xing)研究成(cheng)(cheng)(cheng)果——异构无人自主系统协(xie)同(tong)控(kong)制理论与(yu)技术有(you)效(xiao)解决了这一(yi)(yi)问题。

“它走的路(lu)越多,会(hui)越来越聪明(ming)(ming)。”鲁仁全说,无人(ren)机也(ye)在不断地积累算法(fa),就像(xiang)人(ren)类积累经验那样(yang),自主(zhu)学习(xi),慢慢进化。然而,载体(ti)本身算力(li)有(you)限,研究(jiu)人(ren)员(yuan)也(ye)会(hui)对其进一步迭代升级,通过调整参数让它更“聪明(ming)(ming)”。

科研面向经济“主战场”

不在实验(yan)室(shi)里“做(zuo)玩(wan)具”

尽管(guan)目前(qian)团队研究的(de)(de)无人(ren)机的(de)(de)响(xiang)应速度(du)和控(kong)制精度(du)已经(jing)基本(ben)达到所需预(yu)期,但鲁仁全(quan)团队并(bing)不(bu)(bu)满(man)足于此。据(ju)透露,智能决策与协同控(kong)制研究所正在(zai)(zai)搭建这样(yang)一个平台,所有的(de)(de)载体一旦起(qi)飞,数据(ju)就会源源不(bu)(bu)断地传输到后方服务器,进而对数据(ju)进行二次挖掘,不(bu)(bu)断进行优化(hua)迭代。“对自然界未知的(de)(de)探索是无法完全(quan)预(yu)测(ce)的(de)(de),环境(jing)在(zai)(zai)不(bu)(bu)断地突变,因此也(ye)要不(bu)(bu)断地调整算(suan)法。”鲁仁全(quan)说。

据了解,近五(wu)年(nian),团(tuan)队(dui)成(cheng)员合作获得(de)了30余项(xiang)国家/省(sheng)(sheng)(sheng)部(bu)级项(xiang)目支持。团(tuan)队(dui)成(cheng)员各类奖项(xiang)斩获颇丰,其(qi)中(zhong)包括教(jiao)育部(bu)自然科(ke)学(xue)一(yi)等奖2项(xiang)、广东省(sheng)(sheng)(sheng)科(ke)技进步一(yi)等奖1项(xiang)、广东省(sheng)(sheng)(sheng)自然科(ke)学(xue)二等奖1项(xiang)。研究(jiu)所已经申(shen)请专(zhuan)利100多(duo)项(xiang),其(qi)中(zhong)30多(duo)项(xiang)已经得(de)到授权。

“国家对(dui)我们(men)的投入是很(hen)多的,我们(men)不能(neng)用这些投入在实(shi)验室里‘做(zuo)(zuo)玩具(ju)’,我们(men)要去解(jie)决社会经(jing)济(ji)(ji)发(fa)展(zhan)的问题。”鲁仁(ren)全坦言,面(mian)向(xiang)科技前沿,团(tuan)队(dui)做(zuo)(zuo)到(dao)了;面(mian)向(xiang)经(jing)济(ji)(ji)‘主(zhu)战场’,是团(tuan)队(dui)迫切需要发(fa)力之(zhi)处(chu)。目前,团(tuan)队(dui)正在和企业协作将研究成果落地(di)转化。

一专多能型(xing)团(tuan)队

人(ren)人(ren)都是(shi)“多面(mian)手”

鲁仁全(quan)说,最(zui)初,团队(dui)专攻飞(fei)控(kong)系(xi)统的算法(fa)(fa)研究(jiu),买来现(xian)成的无(wu)人机,在二次开发(fa)平台下专门研究(jiu)算法(fa)(fa),比如无(wu)人机飞(fei)多(duo)高(gao)飞(fei)多(duo)远(yuan)、怎样转弯、如何编队(dui)等(deng)。然而,团队(dui)很快就(jiu)发(fa)现(xian)无(wu)论(lun)控(kong)制(zhi)方法(fa)(fa)再好,对(dui)于(yu)他们想要实现(xian)的特定动作(zuo)和功能(neng),机器结构改变之后并(bing)不能(neng)达到预期。

买来(lai)的无人机实现不了(le)特定(ding)功能怎么办?自己做!随(sui)着自主系统研究的开展,团队也(ye)慢(man)慢(man)变成了(le)“多面(mian)手(shou)(shou)”,机械设(she)计(ji)、制造、组装(zhuang)等都不在(zai)话下。记者在(zai)实验室(shi)看到,3D打印机、激光(guang)切割(ge)机、激光(guang)雕刻(ke)机……所需设(she)备一应俱全。研究所副教授陶(tao)杰(jie)随(sui)手(shou)(shou)拿起一个螺旋桨叶片介绍道(dao),它(ta)就是实验室(shi)用碳纤维原料(liao)通过3D打印加工而成的,重(zhong)量(liang)和塑料(liao)差不多,但(dan)强度和钢相(xiang)当。

“在不同(tong)特(te)性、不同(tong)转速、不同(tong)力(li)下,机(ji)身(shen)不同(tong)的(de)位置(zhi)都(dou)有(you)(you)不同(tong)的(de)精度(du)要求。”鲁仁全坦言(yan),如果去买,市面上(shang)没有(you)(you)同(tong)一(yi)型号的(de),即(ji)便有(you)(you),成(cheng)本也(ye)很(hen)高,团(tuan)队索性就自己动手(shou)解(jie)决。如今,除了电(dian)(dian)池,载体(ti)身(shen)上(shang)的(de)主要零部件,甚至连伺服(fu)电(dian)(dian)机(ji)都(dou)是团(tuan)队自主设计和制作的(de)。

“慢慢就做起来(lai)了,越来(lai)越开阔(kuo)。”鲁(lu)仁全介绍(shao),从最初他一人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)“单(dan)枪(qiang)匹马”,团队发展至(zhi)今(jin)已有24位(wei)研(yan)(yan)究成员,分(fen)协同控制算(suan)(suan)法理论研(yan)(yan)究、水空无人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)(ji)(ji)、陆空无人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)(ji)(ji)、大(da)型无人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)机(ji)(ji)(ji)、无人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)车、智能电(dian)网巡(xun)检等7个研(yan)(yan)究方(fang)向,带领博士后(hou)、博士生、硕士生共200多人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren),专(zhuan)业范围覆盖(gai)机(ji)(ji)(ji)械、自动(dong)化、计(ji)算(suan)(suan)机(ji)(ji)(ji)等多个领域。就在前不久(jiu),以(yi)鲁(lu)仁全为(wei)学(xue)(xue)科带头(tou)人(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)的计(ji)算(suan)(suan)机(ji)(ji)(ji)科学(xue)(xue)与技术新增(zeng)为(wei)一级(ji)学(xue)(xue)科博士学(xue)(xue)位(wei)授权点。

团队(dui)未来要(yao)朝哪个方向(xiang)发(fa)展,这是(shi)鲁仁全必须思(si)考(kao)的(de)(de)问(wen)题。为此,团队(dui)集(ji)体商(shang)议后也(ye)制定了一些规则,不(bu)同方向(xiang)的(de)(de)每个具体位置(zhi)都要(yao)有自己(ji)的(de)(de)规划。“不(bu)可能所有事情都能提前规划好,问(wen)题往往都是(shi)在(zai)做的(de)(de)过程(cheng)中发(fa)现的(de)(de),在(zai)解决(jue)问(wen)题中重新开始。”鲁仁全说。

广州日报A14版

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编辑: 卢迪(di)

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