北京時(shí)間9月24日23時(shí)，無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)世界級(jí)卡點(diǎn)得到突破——西湖大學(xué)工學(xué)院趙世鈺實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了名為FlyingToolbox（飛行工具箱）的空中協(xié)同操作系統(tǒng)，在國際上首次完成多架旋翼無人機(jī)的空中工具交換，實(shí)現(xiàn)了“疊式”飛行狀態(tài)下的高精度協(xié)同作業(yè)。該項(xiàng)研究成果發(fā)表于最新一期國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。這也是中國在多旋翼無人機(jī)領(lǐng)域的研究成果首次登上《自然》。

日常生活、生產(chǎn)中，無人機(jī)扮演著重要角色。但大家可曾發(fā)現(xiàn)，這些無人機(jī)可單飛、可群舞，卻幾乎沒有兩架無人機(jī)能像“疊羅漢”一樣上下疊飛？趙世鈺解釋：無人機(jī)交疊時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流干擾，極易出現(xiàn)“翻車”事故，更不用提精準(zhǔn)作業(yè)?！帮w行工具箱”的核心亮點(diǎn)在于，成功解決了無人機(jī)近距離飛行與高精度操作不可兼得的關(guān)鍵技術(shù)難題。

這套系統(tǒng)由一架工具箱無人機(jī)和一架操作無人機(jī)組成。工具箱無人機(jī)能攜帶多種不同類型的末端執(zhí)行工具，如爪子、剪刀等，可以想象為裝滿各種手術(shù)器械的托盤；操作無人機(jī)是擁有可伸展機(jī)械臂的“操作手”，可以想象為主刀醫(yī)生。工作時(shí)，操作無人機(jī)飛到工具箱無人機(jī)上方，靈活拾取各種工具，完成任務(wù)后放回原處，再換一個(gè)工具接著手術(shù)。

其中，最大的挑戰(zhàn)是克服豎疊式飛行時(shí)的下洗氣流，在強(qiáng)風(fēng)中實(shí)現(xiàn)高精度空中對(duì)接。據(jù)測算，要確保無人機(jī)對(duì)接成功，機(jī)械臂底部與工具箱頂部之間的水平位移必須小于1.5厘米，也就是上方操作無人機(jī)的底端與下方工具箱無人機(jī)的頂端之間偏移不能超過“一指半”。

為了破解難題，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了三個(gè)“黑科技”核心模塊：

柔性電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)。這是一個(gè)在接觸時(shí)會(huì)自動(dòng)“吸附”的電磁智能接口，大大提升了對(duì)接精準(zhǔn)度。當(dāng)工具箱無人機(jī)收到操作無人機(jī)發(fā)出的對(duì)接信號(hào)，其頂部的電磁芯片就會(huì)通電、產(chǎn)生磁力，與后者的錐形凹槽借由磁力吸附。團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新使用數(shù)條橡膠材質(zhì)的彈性系繩作為柔性電磁對(duì)接裝置的連接，讓對(duì)接更具“彈性”，哪怕有稍許姿態(tài)偏移，也能保證對(duì)接成功。

氣流擾動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償方法。在工具箱無人機(jī)的電腦中，預(yù)先植入一個(gè)模型可實(shí)時(shí)預(yù)測操作無人機(jī)下方任意位置的氣流速度。有了氣流速度，結(jié)合兩臺(tái)無人機(jī)的相對(duì)距離，就能利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)出上方無人機(jī)所產(chǎn)生的氣流對(duì)下方無人機(jī)的影響，進(jìn)一步對(duì)下方無人機(jī)的飛行作出調(diào)整。

高精度對(duì)接與操作控制技術(shù)。操作無人機(jī)上搭載著相機(jī)，工具箱無人機(jī)的頂部貼著10多個(gè)帶有不同信息的二維碼，當(dāng)上方的無人機(jī)“看”到一定數(shù)量的二維碼，就能判斷這一刻兩機(jī)的相對(duì)距離，從而移動(dòng)。下方無人機(jī)根據(jù)上方氣流的情況，實(shí)時(shí)調(diào)整本機(jī)6個(gè)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，從而抵消下洗氣流的影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置及姿態(tài)控制。

“‘飛行工具箱’就像一個(gè)‘空中樂高平臺(tái)’，未來通過模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，將幫助人類在更高更遠(yuǎn)的地方完成更復(fù)雜更危險(xiǎn)的任務(wù)。”趙世鈺說。