無(wú)人機(jī)的“間諜游戲”

王鵬飛

原作者簡(jiǎn)介

羅伯特·米歇爾森，曾任喬治亞工程研究院工程師、國(guó)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會(huì)主席、“AUVSI志愿服務(wù)獎(jiǎng)”獲得者，IARC競(jìng)賽即由米歇爾森發(fā)起。

2013年8月，第六屆國(guó)際無(wú)人機(jī)大賽（IARC，亞太賽區(qū)）在清華大學(xué)綜合體育館結(jié)束。來(lái)自中國(guó)的清華大學(xué)代表隊(duì)從7個(gè)國(guó)家的32支參賽隊(duì)中脫穎而出，成功挑戰(zhàn)并攻克本次大賽的競(jìng)賽課題，同時(shí)也斬獲了由國(guó)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會(huì)（AUVSI）提供的40 000美元獎(jiǎng)金。

偷情報(bào)官的優(yōu)盤

與一般的國(guó)際賽事不同，由AUVSI贊助的國(guó)際無(wú)人機(jī)大賽并非按時(shí)間周期開(kāi)展比賽，而是根據(jù)協(xié)會(huì)提出的任務(wù)課題來(lái)不定期舉辦賽事活動(dòng)。當(dāng)上一屆的任務(wù)課題完成后，就會(huì)提出新的課題作為新一屆比賽的主題。本次比賽的任務(wù)課題為1991年賽事開(kāi)展以來(lái)的第六項(xiàng)，該課題于2009年提出，直到今年8月才首次被參賽隊(duì)挑戰(zhàn)成功。

第六屆大賽的課題為一次“間諜任務(wù)”，難度非常高。首先，參賽隊(duì)的無(wú)人機(jī)必須是自主控制的全自動(dòng)無(wú)人機(jī)，不能由數(shù)據(jù)鏈遙控。任務(wù)目標(biāo)區(qū)域戒備森嚴(yán)，設(shè)置了大量安保與監(jiān)控設(shè)備，這個(gè)自主控制的無(wú)人機(jī)要從一面破損的小窗進(jìn)入目標(biāo)建筑區(qū)域，穿過(guò)激光報(bào)警系統(tǒng)的光柵，細(xì)致搜索目標(biāo)建筑內(nèi)部，并找到“情報(bào)官”的辦公室。從六個(gè)類似的辦公室及連接的大廳走廊中找到該辦公室后，“飛行機(jī)器人”要從某個(gè)特定的檔案盒里找到一個(gè)優(yōu)盤，將其取出后，再在原位置放置一個(gè)一模一樣的優(yōu)盤“以假亂真”。然后偷偷摸摸撤出目標(biāo)區(qū)域，全程要求在10分鐘內(nèi)完成。

任務(wù)中，清華大學(xué)代表隊(duì)的無(wú)人機(jī)成功繪制了目標(biāo)建筑的內(nèi)部地圖，完成了“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建”工作，同時(shí)成功規(guī)避監(jiān)控設(shè)備的探測(cè)。這架無(wú)人機(jī)識(shí)別并理解了建筑區(qū)域內(nèi)的各種阿拉伯文指示牌與標(biāo)志，然后找到了檔案盒中的優(yōu)盤。經(jīng)過(guò)目標(biāo)識(shí)別程序，無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)并取走優(yōu)盤，“掉包”后迅速撤出現(xiàn)場(chǎng)。清華大學(xué)本次參賽的“飛行機(jī)器人”采用了四旋翼直升機(jī)式設(shè)計(jì)，可以完成360度轉(zhuǎn)向。為了減重，無(wú)人機(jī)并未安裝獨(dú)立的抓取設(shè)備，而是巧妙地利用磁鐵來(lái)完成抓取優(yōu)盤的動(dòng)作。

比賽規(guī)則要求每個(gè)代表隊(duì)進(jìn)行4次任務(wù)嘗試，每次嘗試的任務(wù)環(huán)境會(huì)有所不同。清華代表隊(duì)的無(wú)人機(jī)在第一次嘗試中就完成了任務(wù)，第二次也幾乎完成任務(wù)。第二次嘗試的挑戰(zhàn)更大，裝有優(yōu)盤的檔案盒被放在一個(gè)房間內(nèi)的隔間里，無(wú)人機(jī)搜索定位的難度大幅增加了，結(jié)果無(wú)人機(jī)在成功找到并取走優(yōu)盤后耗盡了機(jī)載電源，在撤離過(guò)程中不幸“墜毀”。盡管如此，發(fā)現(xiàn)優(yōu)盤與“掉包”的主要任務(wù)目標(biāo)已經(jīng)完成，而基于“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建”系統(tǒng)計(jì)算出的2條逃逸路線（共4個(gè)出口）規(guī)劃也完成了。

漸進(jìn)式技術(shù)革命

國(guó)際無(wú)人機(jī)大賽命題設(shè)置的主要目的，是要求完成當(dāng)時(shí)的主流技術(shù)產(chǎn)品所難以實(shí)現(xiàn)的高難度任務(wù)，且這些任務(wù)都具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。當(dāng)參賽隊(duì)成功研制出“飛行機(jī)器人”來(lái)順利完成任務(wù)目標(biāo)后，這些創(chuàng)新的技術(shù)與裝備也將惠及世界。自國(guó)際無(wú)人機(jī)大賽啟動(dòng)以來(lái)，各國(guó)的參賽隊(duì)員們?yōu)榱吮荣惤g盡腦汁，前后完成六個(gè)任務(wù)課題共花費(fèi)22年時(shí)間，每當(dāng)一個(gè)任務(wù)課題得以實(shí)現(xiàn)，無(wú)人飛行器的相關(guān)技術(shù)水平都會(huì)得到革新與飛躍。

在1991年啟動(dòng)的第一屆大賽中，參賽隊(duì)通過(guò)為無(wú)人機(jī)安裝三向載波GPS天線接收器，完成了物品收取及定點(diǎn)投送任務(wù)。從此，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了完全自主的飛行導(dǎo)航，其傳統(tǒng)上一直所依賴的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差較大，逐漸讓位于衛(wèi)星導(dǎo)航。

在第二屆大賽任務(wù)課題中，參賽隊(duì)的無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以利用更加先進(jìn)的GPS系統(tǒng)自主完成繪圖、毫米級(jí)目標(biāo)識(shí)別與檢索任務(wù)。

第三屆大賽驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)自主完成搜索及救援的能力，該任務(wù)要求無(wú)人機(jī)在一個(gè)模擬的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)尋找區(qū)分幸存受傷者與死者的位置，無(wú)人機(jī)需要辨別并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，包括彌漫的煙霧，15米的火焰，噴射的水柱等威脅。

第四屆大賽的無(wú)人機(jī)先是進(jìn)行了3千米遠(yuǎn)距離飛行，然后在一個(gè)村莊搜尋到目標(biāo)建筑，識(shí)別出門窗等所有敞開(kāi)的通道后，無(wú)人機(jī)將一個(gè)更小的機(jī)載機(jī)器人送入房間。

第五屆大賽提高了第四屆任務(wù)課題的復(fù)雜度，增加了室內(nèi)飛行任務(wù)。無(wú)人機(jī)不僅要進(jìn)入建筑物，還要對(duì)建筑物內(nèi)部進(jìn)行測(cè)繪，并最終找到一個(gè)標(biāo)的物。這也是歷次大賽中第一次采用“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建”技術(shù)。

從第六屆，也就是本屆大賽，我們可以看到近三屆比賽的課題設(shè)置具有明顯連續(xù)性。通過(guò)前文所描述的“潛入、搜索、獲取、欺騙、撤出”過(guò)程，“飛行間諜”在封閉復(fù)雜空間內(nèi)的任務(wù)挑戰(zhàn)急劇增加，清華大學(xué)參賽無(wú)人機(jī)的成功，證明現(xiàn)有科技已經(jīng)能夠支持無(wú)人機(jī)，或其他智能機(jī)器人完成高難度的精細(xì)化任務(wù)。

第七代課題

為了推動(dòng)無(wú)人機(jī)技術(shù)的持續(xù)革新，擴(kuò)展無(wú)人機(jī)的運(yùn)用范圍，AUVSI不斷向相關(guān)研究者（主要是在校大學(xué)生）提出新的技術(shù)要求。在前六個(gè)課題中，捕獲與移動(dòng)物體的技術(shù)已經(jīng)得到反復(fù)驗(yàn)證，GPS與SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)在導(dǎo)航方面的應(yīng)用也比較成熟。那么，目前還有什么新課題需要解決或進(jìn)一步研究？

在AUVSI設(shè)定的第七個(gè)課題中，參賽者們需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)前所未有的目標(biāo)：第一，無(wú)人機(jī)要與包括地面機(jī)器人在內(nèi)的移動(dòng)物體深度互動(dòng)；第二，無(wú)人機(jī)將不得使用GPS導(dǎo)航，且場(chǎng)地會(huì)變得空曠，缺少地標(biāo)與辨識(shí)物，如高墻等；第三，各參賽隊(duì)的無(wú)人機(jī)之間將開(kāi)展某種形式的同臺(tái)競(jìng)技。這些刁鉆的要求并不是AUVSI心血來(lái)潮，而是深思熟慮之舉——早在1990年AUVSI公布的大賽發(fā)展路線圖中就已確定。

在前六項(xiàng)任務(wù)課題中，無(wú)人機(jī)要與地面靜止物體進(jìn)行各種形式的互動(dòng)（如抓取優(yōu)盤），但并未要求追蹤并接觸隨機(jī)移動(dòng)的目標(biāo)。第七項(xiàng)課題新增目標(biāo)將會(huì)廣泛用于未來(lái)無(wú)人機(jī)捕獲運(yùn)行中的汽車、輪船甚至飛行器等機(jī)動(dòng)目標(biāo)。任務(wù)同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)不借助外部定位設(shè)備（如GPS）的自主導(dǎo)航。目前，使用GPS導(dǎo)航和“即時(shí)定位與地圖構(gòu)建”技術(shù)已經(jīng)是無(wú)人機(jī)的主流，但人類和動(dòng)物卻可以獨(dú)立完成這樣的導(dǎo)航定位，未來(lái)的無(wú)人機(jī)也應(yīng)該能夠做到。在缺少地標(biāo)和GPS導(dǎo)航的場(chǎng)地中，無(wú)人機(jī)需要像智慧生命那樣自主導(dǎo)航與操控。在現(xiàn)有的技術(shù)成果中，光流技術(shù)或許對(duì)完成這種課題有所幫助。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂等飛蟲可以通過(guò)光流來(lái)判斷速度、高度與側(cè)移量，無(wú)人機(jī)未來(lái)也將模仿這些動(dòng)物的行為。

課題還要求多個(gè)機(jī)器人之間的互動(dòng)。當(dāng)無(wú)人機(jī)之間，或無(wú)人機(jī)與載人飛行器之間真正的互動(dòng)與伴隨飛行成為一種成熟技術(shù)后，民航管理部門才會(huì)批準(zhǔn)這樣的飛行模式。這種互動(dòng)被簡(jiǎn)稱為“感知與規(guī)避”，即無(wú)人飛行器能夠感知飛行方向上固定或移動(dòng)的障礙以免碰撞。目前，無(wú)人機(jī)的“感知與規(guī)避”技術(shù)尚處于比較初級(jí)的狀態(tài)，科研機(jī)構(gòu)尚未進(jìn)行過(guò)真正的成功試驗(yàn)。這種無(wú)人機(jī)技術(shù)一旦在競(jìng)賽課題中被突破，將會(huì)為未來(lái)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用帶來(lái)革命性變化。

2014年的第七個(gè)課題將同時(shí)在亞太與美國(guó)兩個(gè)分會(huì)場(chǎng)展開(kāi)競(jìng)賽，官方的課題要求與任務(wù)規(guī)則，將刊登在官方網(wǎng)站http：//www.aerialroboticscompetition.org上。

責(zé)任編輯：王宏亮endprint