以牧羊犬行動持續(xù)推動無人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新

顏思銘

8月26日上午，2018年“圓夢天使杯”國際空中機(jī)器人大賽（亞太賽區(qū)）在北京航空航天大學(xué)開幕，并開始了任務(wù)7的第一輪正式比賽，任務(wù)7的后三輪比賽在當(dāng)天下午進(jìn)行，任務(wù)8比賽在第二天進(jìn)行。本屆大賽共十所高校參加任務(wù)7的比賽，有4所高校參加任務(wù)8的比賽。其中，北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)兩所大學(xué)均報(bào)名參加任務(wù)7和任務(wù)8比賽。

比賽結(jié)果

經(jīng)過2天的激烈爭奪，多支隊(duì)伍取得了不俗戰(zhàn)績。在任務(wù)7的爭奪戰(zhàn)中，浙江大學(xué)隊(duì)ZMART團(tuán)隊(duì)獲得了2018年任務(wù)7年度冠軍，廈門大學(xué)白鷺隊(duì)獲得了2018年度第二名，哈爾濱工業(yè)大學(xué)HITCSC團(tuán)隊(duì)獲得了年度第三名，海軍航空大學(xué)智鷹隊(duì)獲得了最佳任務(wù)規(guī)劃獎，北京航空航天大學(xué)馭遠(yuǎn)-X隊(duì)獲得了最佳系統(tǒng)控制獎，南京航空航天大學(xué)代表向陽而生隊(duì)獲得了最佳系統(tǒng)導(dǎo)航獎，中國民航大學(xué)Civil Drone隊(duì)獲得了系統(tǒng)設(shè)計(jì)獎，中山大學(xué)空中機(jī)器人隊(duì)獲得創(chuàng)新設(shè)計(jì)獎，寧夏大學(xué)Eagle eye隊(duì)獲得最佳進(jìn)步獎，印度斯坦大學(xué)-KCG技術(shù)學(xué)院代表隊(duì)獲得團(tuán)隊(duì)文化獎。雖然今年參加任務(wù)8的參賽的隊(duì)伍均沒有完成比賽，但是裁判組最終還是對參賽代表隊(duì)的表現(xiàn)給予了肯定，最終北京航空航天大學(xué)馭遠(yuǎn)-Y團(tuán)隊(duì)獲得了最佳無人機(jī)協(xié)作獎，哈爾濱工業(yè)大學(xué)HITCSC團(tuán)隊(duì)獲得了最佳技術(shù)實(shí)現(xiàn)獎，印度理工學(xué)院孟買分校代表隊(duì)獲得了最佳表現(xiàn)獎。

本次大賽由國際無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會、中國航空學(xué)會、中國人工智能學(xué)會、中國自動化學(xué)會、北京航空航天大學(xué)、中國航空教育學(xué)會主辦，由國際無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會設(shè)立獎金，由北京圓夢天使通航科技有限公司承辦。

歷代任務(wù)回顧

從創(chuàng)立至今，IARC歷經(jīng)24年，已經(jīng)全部完成了6代任務(wù)，今年將完成第7代任務(wù)，并開始進(jìn)行第8代任務(wù)。

其中，第1代任務(wù)要求空中機(jī)器人在不依賴于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的情況下能夠全自主飛行，找到目標(biāo)物體并搬運(yùn)到指定地點(diǎn);

第2代任務(wù)要求空中機(jī)器人能夠從廢物堆中帶走目標(biāo)樣品，具有自主空中測繪、毫米級目標(biāo)識別和目標(biāo)獲取的能力;

第3代任務(wù)要求空中機(jī)器人具有識別、定位并區(qū)分災(zāi)害中生還者和死者以及描繪災(zāi)害場景的能力，并且能夠規(guī)避來自包括混亂、煙霧和昏暗環(huán)境下的各種威脅（例如，15m高火焰或者間歇性水柱）;

第4代任務(wù)則要求空中機(jī)器人能夠準(zhǔn)確找到遠(yuǎn)距離（例如5km）村莊中的指定房屋，識別房屋入口（開著的窗戶/門），進(jìn)入其中找到目標(biāo)物體;

第5代任務(wù)是第4代任務(wù)的延伸，空中機(jī)器人需要繪制室內(nèi)地圖并定位指定的目標(biāo);

第6代任務(wù)和第5代類似，但是室內(nèi)飛行場景更加復(fù)雜，且空中機(jī)器人必須在十分鐘內(nèi)躲避或摧毀安防措施，發(fā)現(xiàn)并理解墻上的文字指引信息，找到并取走房間內(nèi)機(jī)密物（U盤），放入替代品，最后快速地退出建筑物。

在比賽的前6代任務(wù)中，拾取和移動物體的能力已經(jīng)充分得到展示，使用GPS和SLAM技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航亦被很好地驗(yàn)證。而IRAC的目的不是重復(fù)先前已實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，而是開辟空中機(jī)器人技術(shù)的新領(lǐng)域。

在這樣的背景下，任務(wù)7應(yīng)運(yùn)而生，有三個新行為加入挑戰(zhàn)，而這三個行為在前6次IARC任務(wù)中從未被嘗試過：一，空中機(jī)器人與地面自主機(jī)器人的交互行為;二，在一個開敞環(huán)境中的導(dǎo)航行為，而且該環(huán)境中無外界導(dǎo)航輔助（如沒有GPS或墻壁等靜止點(diǎn)參考等）;三，與其他競爭空中機(jī)器人的博弈行為。

今年是第7代任務(wù)“空中牧羊犬行動”的第五年也最后一年的比賽，空中機(jī)器人完全依靠自身的導(dǎo)航與控制技術(shù)圍堵和控制地面移動物體到比賽場地的指定區(qū)域，根據(jù)比賽規(guī)則，空中機(jī)器人是“牧羊犬”，比賽場地中10臺隨機(jī)移動的地面機(jī)器人是“羊”，4臺隨機(jī)移動的地面機(jī)器人是“狼”?？罩袡C(jī)器人（“牧羊犬”）要在10分鐘之內(nèi)把4臺以上的地面機(jī)器人（“羊”）移動到場地綠色邊緣之外（“羊圈”），完成上半場既定任務(wù)。之后，通過與其他空中機(jī)器人的博弈與較量，完成下半場既定任務(wù)。

全新的“星際飛船救援行動”任務(wù)

在任務(wù)7將全部完成的情況下，任務(wù)8出現(xiàn)了。今年是任務(wù)8“星際飛船救援行動”的第一年比賽，將首次進(jìn)行人與機(jī)器的遠(yuǎn)程非電子手段交互，由4個空中機(jī)器人協(xié)助人完成由一個人不可能獨(dú)立完成的任務(wù)。

任務(wù)8的背景是在星際飛船“方舟一號”上面，無人機(jī)操作者模擬一名隨艦工程師，要在8min的時間內(nèi)取得一個關(guān)鍵零件并為飛船的故障反應(yīng)堆更換。反應(yīng)堆由空中機(jī)器人哨兵的保護(hù)，這些機(jī)器人哨兵不具備敵我識別能力，因此會攻擊工程師。工程師進(jìn)入反應(yīng)堆控制室時，可以激活隨身攜帶的四臺空中機(jī)器人助手，幫助工程師定位所需的替換部件，并可以應(yīng)對哨兵機(jī)器人的攻擊。工程師的空中機(jī)器人助手將只接受操作者的非電子命令（例如手勢或語音命令等）。

相比過去各代任務(wù)，任務(wù)8的背景更為生動有趣，增添了許多的趣味性，但對于參賽選手來說，難度提高了許多。根據(jù)規(guī)則，參賽隊(duì)員的空中機(jī)器人助手應(yīng)該具有以下特性：

·全自主飛行;

·飛行范圍控制在比賽場地內(nèi);

·躲避障礙;

·對聲音或手勢指令做出響應(yīng);

·在相應(yīng)指令發(fā)出時，使用激光照射參賽隊(duì)員;

·在相應(yīng)指令發(fā)出時，懸停在存儲箱上方;

·將存儲箱的視頻情況發(fā)送給參賽隊(duì)員;

·理想情況下，至少可以續(xù)航8分鐘。

從這些特性可以發(fā)現(xiàn)，除了之前一系列任務(wù)所要求的技術(shù)特性（如全自主能力、避障能力、導(dǎo)航制導(dǎo)能力等）以外，任務(wù)8的參賽空中機(jī)器人還需要具備以下全新特性：非電子人機(jī)交互能力（即對無人機(jī)的非電子控制，如語音控制，手勢控制等）、通過機(jī)群上傳感器的信息融合增強(qiáng)操縱人員的態(tài)勢感知能力、機(jī)群間交互能力、空中目標(biāo)辨識能力、不同空中機(jī)器人在同一片空域中執(zhí)行不同任務(wù)時彼此的交互能力等。

因此，在任務(wù)8中將出現(xiàn)這樣的情景：一個隊(duì)員與一隊(duì)無人機(jī)協(xié)同工作，試圖在敵方有無人機(jī)巡邏的場地中取回某件特定物品，同時要保證不被敵方反制。

大賽意義和使能作用

國際空中機(jī)器人大賽是一項(xiàng)非常有意義的大賽，正如王英勛教授所述，IARC不是一個用于觀賞的娛樂比賽，而是一個用來推動空中機(jī)器人技術(shù)發(fā)展水平的“技術(shù)比賽”，更深層次上來說可以促進(jìn)世界無人系統(tǒng)的發(fā)展。IARC設(shè)立的都是一些看似“不可能”，但是對于空中機(jī)器人乃至整個無人系統(tǒng)行業(yè)來說都是非常重要的技術(shù)任務(wù)。王英勛堅(jiān)信，當(dāng)人們真正投入到該項(xiàng)任務(wù)時，通過設(shè)立獎項(xiàng)，激勵人們將不可能完成的任務(wù)變?yōu)榭赡?。王英勛教授同時指出，國際空中機(jī)器人大賽（IARC）將技術(shù)挑戰(zhàn)性與實(shí)用性相結(jié)合，吸引了世界范圍內(nèi)高等院校師生加入，促進(jìn)了世界各大學(xué)相關(guān)專業(yè)師生的科技研究與開發(fā)，引領(lǐng)和推進(jìn)了空中機(jī)器人和控制技術(shù)的進(jìn)步。

當(dāng)前，無人機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，空中機(jī)器人作為小型無人飛行器，很多關(guān)鍵技術(shù)突破是可以注入到現(xiàn)代無人飛行器中的。IARC正是一個很好的契機(jī)，大賽中設(shè)立了代表前沿技術(shù)的任務(wù)目標(biāo)，通過“技術(shù)競賽”吸引并激勵高校師生投入到提高自主控制等級、突破無人飛行器關(guān)鍵技術(shù)屏障的科技浪潮中，從而推動未來尖端技術(shù)的科技創(chuàng)新。

無人機(jī)不斷增強(qiáng)的自主能力和無人機(jī)間信息交互的瞬時性、相關(guān)性與準(zhǔn)確性的提升，可以為人員帶來額外的優(yōu)勢。除了先進(jìn)的自主能力外，分布在多臺無人機(jī)上的傳感器的協(xié)同工作，允許人類采集之前難以獲得的數(shù)據(jù)。然而，人類依舊需要依賴實(shí)時信息來做出決策，因此獲取更大量的共享信息可以為人們提供壓倒性的優(yōu)勢。在這種情況下，無人機(jī)操作人員的處理能力受限，需要考慮指令和控制問題。因此，任務(wù)8所面臨的獨(dú)特挑戰(zhàn)是，在人與無人機(jī)隊(duì)員之間進(jìn)行合適的動態(tài)任務(wù)規(guī)劃能力的開發(fā)，這標(biāo)志著無人機(jī)智能化技術(shù)又將邁上一個新的臺階。

空中機(jī)器人大賽的宗旨是通過設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的、實(shí)用性強(qiáng)的比賽任務(wù)，將理論與實(shí)踐結(jié)合，促進(jìn)無人機(jī)及其制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)空中機(jī)器人前沿技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。也正因?yàn)槿绱耍瑥?012年開始，中國航空學(xué)會將IARC引入中國，設(shè)立亞太賽區(qū)，與美國賽區(qū)同步進(jìn)行賽事，借助中國龐大市場與資源拓展參賽范圍和活動的影響力，為中國乃至亞太地區(qū)的高校和科研院所提供了一個便捷的尖端技術(shù)競技平臺，促進(jìn)中國無人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新能力和應(yīng)用水平的穩(wěn)步提高。