你见过两架无人机像“叠罗汉”一样上下叠飞吗？上方无人机精准从下方无人机拿取搭载的工具，完成任务后再物归原主。这一富有科幻感、兼具实用潜能的场景，在西湖大学工学院人工智能系赵世钰实验室成为现实。
该团队研发了一款名为FlyingToolbox（飞行工具箱）的空中协同操作系统，在国际上首次实现了多架无人机在飞行过程中的高精度工具交换，成功攻克了近距离飞行与高精度操作难以兼顾的核心技术难题。这一突破性成果于24日发表在国际学术期刊《自然》。
“城市救援中，它们穿越浓烟为消防员探路，争分夺秒救人；农田上空，它们化身‘空中医生’，大幅提升农业效率……微小型无人机在人们的生活、生产中已经扮演了重要角色。但大家可曾发现，虽然这些无人机可以单飞、可以群舞，却几乎没有两架无人机能像‘叠罗汉’一样，一上一下叠飞？”赵世钰解释说，原因在于两架无人机交叠时会产生强烈的“气流干扰”，极易出现“翻车”事故，更不用提精准作业。
这个看似“简单”的动作，却是无人机技术发展的一个卡点。“这一问题可通过多机协作来解决。”赵世钰团队构想，就像外科手术那样，主刀医生专注操作，护士在一旁递剪刀、止血钳等，空中机器人们也可以各司其职，交换工具。这样一来，每个空中机器人都可以专注于自己角色，通过分工协作完成复杂作业任务。
为此，赵世钰团队研发了一款名为FlyingToolbox（飞行工具箱）的空中协同操作系统。这个系统由一架工具箱无人机和一架操作无人机组成。工具箱无人机，顾名思义，能够携带多种不同类型的末端执行工具，如爪子、剪刀等；而操作无人机，则是拥有可伸展的机械臂的那个“操作手”。
让空中作业机器人真正合作起来，最大挑战在于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。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。
“柔性电磁对接机构，是在接触时会自动‘吸附’的电磁智能接口，这一设计大大提升了对接的精准度。气流扰动估计与补偿方法，是指下方无人机能实时估计上方无人机产生的下洗气流扰动强度。高精度对接与操作控制技术，则让上方的操作无人机‘看得清’，让下方的工具箱无人机‘飞得稳’。”本文第一作者、西湖大学副研究员曹华姿说。
在实验室中，这套全新的FlyingToolbox系统运行稳定。赵世钰介绍，它不仅成功完成不少于20次的连续对接，还能胜任“双机协作”及更加复杂的“三机协作”等任务场景，成功解决了近距离飞行与高精度操作之间的技术矛盾，实现了空中竖叠式飞行条件下的工具交换。
“我们相信，它能够启发更多研究人员从事关于空中作业任务的研究，实现如空中换电池、物资补给等更加复杂的任务。同时，它也能为实际任务提供潜在解决方案。”赵世钰展望说。
赵世钰向记者透露，接下来，他们将提高这套工具箱系统的性能，并向着产业化进发。“我们希望能在复杂、开放的环境当中解决实际问题。”
（光明日报全媒体记者晋浩天）
来源：光明日报全媒体记者晋浩天
图片：西湖大学官网
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