中国高校突破无人机新技术实现“竖叠式”状态协同作业

AI科技 2025年10月01日 00:57 1 admin

中新网浙江新闻9月28日电（林波）在未来图景中，当汽车翱翔于天际，需更换电池续航时，飞行工具箱中的空中作业机器人就可以精准解锁并执行这一服务……这是西湖大学工学院赵世钰实验室关于无人机应用的“未来畅想”。

近日，赵世钰实验室以“Proximal Cooperative Aerial Manipulation with Vertically Stacked Drones”为题，在国际期刊《自然》（Nature）上发表最新研究成果。

该研究介绍了由他们开发的名为FlyingToolbox（飞行工具箱）的空中协同操作系统。通过该系统应用，该团队在国际上首次实现了多架无人机在飞行过程中的工具交换，实现在“竖叠式”飞行状态下的高精度协同作业，成功解决了近距离飞行与高精度操作不可兼得的核心技术难题。

近日，赵世钰演示空中协同操作场景。林波摄

西湖大学工学院特聘研究员、智能无人系统实验室负责人赵世钰受访时表示，该研究为未来实现空中换电、物资补给等更复杂的作业任务奠定了基础。当无人机得以从“单兵作战”迈向“群体协作”，这些“空中作业机器人”将有望在更广泛的场景中，成为人类的“好帮手”。

空中作业机器人是一类将多旋翼无人机和高自由度机械臂相结合的新型机器人。

多旋翼无人机，指的是有多个螺旋桨的小型飞行器，靠调节各个螺旋桨的转速来灵活飞行，是现在最常见、最实用的一类无人机。

近日，在西湖大学实验室内的飞行工具箱。林波摄

空中作业机器人在传统多旋翼无人机的基础上，增加了高自由度机械臂，从而，既能发挥无人机大范围、快速移动的能力，又能发挥机械臂小范围、精细操作的能力。

“如今我们所见到的无人机，多为‘飞行的摄像机’，多用于航拍、监测等任务。”赵世钰表示，空中作业机器人是“飞行的操作手”，它能代替人类在难以抵达的区域进行作业，进行危险物品抓取与放置、高空建筑清洁、接触式检修、空中增材制造等作业任务。

不过，单个空中机器人能携带的工具有限，难以单独完成复杂的空中作业任务。这一问题可以通过多机协作来解决。

据介绍，赵世钰团队构想，就像外科手术那样，主刀医生专注操作，护士在一旁将剪刀、镊子、止血钳等递给医生，空中机器人也可以各司其职，交换工具。这样一来，每个空中机器人可以专注于自己的角色，通过分工协作完成复杂作业任务。

尽管这个构想听上去非常有趣，也有广阔的应用可能，但它面临一个独特的挑战——近距离飞行与高精度操作之间的矛盾。

具体来说，考虑到多旋翼无人机布局的特点，如果两个无人机要交换有效载荷，往往需要采取“竖叠式”的飞行，即一架无人机先飞到另一架无人机的上方，再交换工具。

然而，当一架无人机飞在另一架的正上方时，它的螺旋桨会向下持续地吹出强烈气流，专业术语叫“下洗气流”。这种气流会大幅干扰作业，降低控制精度，进而导致任务失败。

虽然目前这种竖叠式飞行在现有的空中着陆、空中悬挂和集群飞行等研究中也有出现，但飞行时长十分短暂，任务也未涉及到精确的空中操作。

如何让空中作业机器人真正地合作起来？

赵世钰团队研发了FlyingToolbox空中协同操作系统。

“在这个过程中，两机合作过程是全自动的。”据论文第一作者、西湖大学工学院助理研究员曹华姿介绍，这个系统由一架工具箱无人机和一架操作无人机组成。工作时，操作无人机可以飞到工具箱无人机的上方，利用机械臂抓取某一个需要的工具，接着用这个工具完成作业任务……

在研发过程中，最大的挑战，正是克服竖叠式飞行时的下冲气流，在强风中实现高精度空中对接。

“这个过程人为控制很难实现，必须自动完成。”赵世钰解释说，为了应对这些挑战，研究团队设计了三个“黑科技”核心模块以破解难题——柔性电磁对接机构、气流扰动估计与补偿方法、高精度对接与操作控制技术。

当下，空中作业机器人处于低空经济和具身智能两大领域的交汇处，具有广阔的产业化前景。而西湖大学开发的FlyingToolbox就像一个“空中乐高平台”，通过模块化、可扩展的设计，无人机将能根据实际需求，完成更复杂的任务。

接下来，该团队将提高这套工具箱系统的性能，并向着产业化进发。

赵世钰说：“我们实验室希望把上层规划算法与下层机器人控制结合起来，希望能在复杂的、开放的环境当中解决实际问题……”（完）

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