水空兩棲無人機(jī)

魯仁全

陸空兩棲無人機(jī)

科技賦能生活，說起無人機(jī)，很多人不再覺得稀奇。但是，會(huì)“變身”的無人機(jī)，你見過嗎？本期“趣探實(shí)驗(yàn)室”走進(jìn)廣東工業(yè)大學(xué)智能決策與協(xié)同控制研究所，看這里的無人機(jī)如何機(jī)智“變身”，玩轉(zhuǎn)水陸空。

研究所在做什么？長江學(xué)者、國家杰青、廣東工業(yè)大學(xué)智能決策與協(xié)同控制研究所所長魯仁全解釋，理論上來說，實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究智能決策和協(xié)同控制，通俗地說，就是通過算法給無人自主系統(tǒng)“下命令”“做調(diào)度”。特定環(huán)境下?lián)碛刑厥夤δ艿淖詣?dòng)載體，這是團(tuán)隊(duì)組建之初便定下的研究方向。發(fā)展至今，團(tuán)隊(duì)已有水空兩棲、陸空兩棲、16旋翼大型載人無人機(jī)、無人車等四款主打載體產(chǎn)品，主要應(yīng)用于水庫巡檢、水質(zhì)檢測、電力巡檢、智慧文旅等民用領(lǐng)域。

聰明“大腦”發(fā)令 無人機(jī)能飛也能游

走進(jìn)廣東工業(yè)大學(xué)智能決策與協(xié)同控制研究所，記者一下子就被展架上一字排開的一排排無人機(jī)所吸引。別看它們外貌相似，功能卻大有不同，航拍、航測、巡檢、定位……想要無人機(jī)做什么，給它裝上適配的“大腦”，下達(dá)相應(yīng)指令即可。

更讓記者覺得眼前一亮的，當(dāng)屬可以“變身”的水空兩棲無人機(jī)。“空中能飛，水下能游”，簡單幾個(gè)字，實(shí)現(xiàn)起來卻并不容易?！翱罩酗w的時(shí)候是旋翼的形式，下水游的時(shí)候就不能旋翼了，旋翼阻力太大，就要把它收起來?！濒斎嗜榻B，這一“下”一“收”，發(fā)揮關(guān)鍵作用的便是變結(jié)構(gòu)無人自主系統(tǒng)。

不同于傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制理論，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究機(jī)械結(jié)構(gòu)突變、運(yùn)行環(huán)境突變和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫蛔兊臒o人自主系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。正是團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新研究成果“變結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制”，得以讓無人機(jī)在由空入水時(shí)實(shí)現(xiàn)高效平穩(wěn)姿態(tài)控制。據(jù)了解，這也是團(tuán)隊(duì)的獨(dú)有技術(shù)，團(tuán)隊(duì)因此也獲評(píng)2021年國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目。

“控制和校正是同時(shí)的，如果校正時(shí)有延時(shí)，無人機(jī)就掉進(jìn)水里了?！濒斎嗜榻B，這款水空兩用無人機(jī)有自己的“眼睛”和“耳朵”，除了按照既定的控制信號(hào)工作，當(dāng)它判定周遭環(huán)境發(fā)生了變化，會(huì)自動(dòng)適應(yīng)校正，實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)切換到水下模式，通過控制下潛的角度和深度等關(guān)鍵參數(shù)，穩(wěn)穩(wěn)潛入水下。目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具備了獨(dú)立研發(fā)和制造變結(jié)構(gòu)無人自主系統(tǒng)的能力和條件，研發(fā)的水空兩用無人機(jī)已成功應(yīng)用于水體采樣、水庫巡檢等場景。

此外，團(tuán)隊(duì)還將無人機(jī)和無人艇結(jié)合，解決了無人機(jī)充電的問題。無人機(jī)電池容量有限，因此巡航半徑和時(shí)間也有限，在無人艇的支持下，無人機(jī)可以自主起飛、自主降落、自主充電，將其巡航時(shí)間和距離拓寬百倍之多。

協(xié)同控制練就“好隊(duì)友”

另一款會(huì)“變身”的無人機(jī)是空中能飛、地上能跑的陸空兩棲無人機(jī)。魯仁全介紹，其典型的一個(gè)應(yīng)用場景是消防救援。如遇火勢較大、煙霧較濃等情況，小小無人機(jī)就派上了大用場。它可以從較小的縫隙中水平飛進(jìn)火場，然后切換姿態(tài)，上下飛行進(jìn)行探測，然后將火場里的信息傳遞出來，指導(dǎo)救援救火工作。

個(gè)體在特定環(huán)境下單獨(dú)作戰(zhàn)能力超群，如何保證多個(gè)載體高效協(xié)同作業(yè)？魯仁全解釋，在一個(gè)編隊(duì)里，通常會(huì)有領(lǐng)導(dǎo)者及其支援體，就像一只頭鳥帶領(lǐng)鳥群飛向目的地那樣，每個(gè)成員的功能不一樣。如果有成員掉隊(duì)失聯(lián)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，通訊方式也就隨之發(fā)生改變。不同能力的載體如何協(xié)作？通訊不暢時(shí)怎樣完成任務(wù)？這些都是協(xié)同控制需要直面的“難題”，團(tuán)隊(duì)在協(xié)同控制領(lǐng)域的代表性研究成果——異構(gòu)無人自主系統(tǒng)協(xié)同控制理論與技術(shù)有效解決了這一問題。

“它走的路越多，會(huì)越來越聰明?！濒斎嗜f，無人機(jī)也在不斷地積累算法，就像人類積累經(jīng)驗(yàn)?zāi)菢?，自主學(xué)習(xí)，慢慢進(jìn)化。然而，載體本身算力有限，研究人員也會(huì)對(duì)其進(jìn)一步迭代升級(jí)，通過調(diào)整參數(shù)讓它更“聰明”。

科研面向經(jīng)濟(jì)“主戰(zhàn)場”

不在實(shí)驗(yàn)室里“做玩具”

盡管目前團(tuán)隊(duì)研究的無人機(jī)的響應(yīng)速度和控制精度已經(jīng)基本達(dá)到所需預(yù)期，但魯仁全團(tuán)隊(duì)并不滿足于此。據(jù)透露，智能決策與協(xié)同控制研究所正在搭建這樣一個(gè)平臺(tái)，所有的載體一旦起飛，數(shù)據(jù)就會(huì)源源不斷地傳輸?shù)胶蠓椒?wù)器，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次挖掘，不斷進(jìn)行優(yōu)化迭代?！皩?duì)自然界未知的探索是無法完全預(yù)測的，環(huán)境在不斷地突變，因此也要不斷地調(diào)整算法?！濒斎嗜f。

據(jù)了解，近五年，團(tuán)隊(duì)成員合作獲得了30余項(xiàng)國家/省部級(jí)項(xiàng)目支持。團(tuán)隊(duì)成員各類獎(jiǎng)項(xiàng)斬獲頗豐，其中包括教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、廣東省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、廣東省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。研究所已經(jīng)申請(qǐng)專利100多項(xiàng)，其中30多項(xiàng)已經(jīng)得到授權(quán)。

“國家對(duì)我們的投入是很多的，我們不能用這些投入在實(shí)驗(yàn)室里‘做玩具’，我們要去解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問題。”魯仁全坦言，面向科技前沿，團(tuán)隊(duì)做到了；面向經(jīng)濟(jì)‘主戰(zhàn)場’，是團(tuán)隊(duì)迫切需要發(fā)力之處。目前，團(tuán)隊(duì)正在和企業(yè)協(xié)作將研究成果落地轉(zhuǎn)化。

一專多能型團(tuán)隊(duì)

人人都是“多面手”

魯仁全說，最初，團(tuán)隊(duì)專攻飛控系統(tǒng)的算法研究，買來現(xiàn)成的無人機(jī)，在二次開發(fā)平臺(tái)下專門研究算法，比如無人機(jī)飛多高飛多遠(yuǎn)、怎樣轉(zhuǎn)彎、如何編隊(duì)等。然而，團(tuán)隊(duì)很快就發(fā)現(xiàn)無論控制方法再好，對(duì)于他們想要實(shí)現(xiàn)的特定動(dòng)作和功能，機(jī)器結(jié)構(gòu)改變之后并不能達(dá)到預(yù)期。

買來的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)不了特定功能怎么辦？自己做！隨著自主系統(tǒng)研究的開展，團(tuán)隊(duì)也慢慢變成了“多面手”，機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、組裝等都不在話下。記者在實(shí)驗(yàn)室看到，3D打印機(jī)、激光切割機(jī)、激光雕刻機(jī)……所需設(shè)備一應(yīng)俱全。研究所副教授陶杰隨手拿起一個(gè)螺旋槳葉片介紹道，它就是實(shí)驗(yàn)室用碳纖維原料通過3D打印加工而成的，重量和塑料差不多，但強(qiáng)度和鋼相當(dāng)。

“在不同特性、不同轉(zhuǎn)速、不同力下，機(jī)身不同的位置都有不同的精度要求?！濒斎嗜寡?，如果去買，市面上沒有同一型號(hào)的，即便有，成本也很高，團(tuán)隊(duì)索性就自己動(dòng)手解決。如今，除了電池，載體身上的主要零部件，甚至連伺服電機(jī)都是團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)和制作的。

“慢慢就做起來了，越來越開闊?！濒斎嗜榻B，從最初他一人“單槍匹馬”，團(tuán)隊(duì)發(fā)展至今已有24位研究成員，分協(xié)同控制算法理論研究、水空無人機(jī)、陸空無人機(jī)、大型無人機(jī)、無人車、智能電網(wǎng)巡檢等7個(gè)研究方向，帶領(lǐng)博士后、博士生、碩士生共200多人，專業(yè)范圍覆蓋機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域。就在前不久，以魯仁全為學(xué)科帶頭人的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)新增為一級(jí)學(xué)科博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)未來要朝哪個(gè)方向發(fā)展，這是魯仁全必須思考的問題。為此，團(tuán)隊(duì)集體商議后也制定了一些規(guī)則，不同方向的每個(gè)具體位置都要有自己的規(guī)劃。“不可能所有事情都能提前規(guī)劃好，問題往往都是在做的過程中發(fā)現(xiàn)的，在解決問題中重新開始?！濒斎嗜f。

文/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者王婧 通訊員盧迪

圖/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者王文宇、黃澤胤