[智能应用]无人机实现空中“握手” [复制链接]

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。这一富有科技感又兼具实用性的场景，在西湖大学工学院人工智能系特聘研究员赵世钰实验室成为现实。团队研发了一款名为飞行工具箱（FlyingToolbox）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。这一突破性成果日前发表于国际学术期刊《自然》。

  “大家在生活中见到过无人机单飞、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。”赵世钰介绍说，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，其实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，无人机们也可以各司其职，交换工具。这样一来，每个无人机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，赵世钰团队研发了飞行工具箱空中协同操作系统。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”。

  让无人机真正合作起来，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。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，则让上方的无人机‘看得清’，让下方的无人机‘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，这套全新的飞行工具箱空中协同操作系统运行稳定。赵世钰介绍，它不仅成功完成了不少于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。

无人机“叠罗汉”技术的突破

西湖大学工学院人工智能系特聘研究员赵世钰团队在无人机技术领域取得了重大突破，研发了一款名为飞行工具箱（FlyingToolbox）的空中协同操作系统。这一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。这一突破性成果日前发表于国际学术期刊《自然》。

技术背景与挑战

赵世钰团队指出，尽管无人机在日常生活和生产中扮演着重要角色，但两架无人机像“叠罗汉”一样上下叠飞却极为罕见。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，其实是无人机技术发展的一个卡点。

多机协作的构想

为了解决这一问题，赵世钰团队借鉴了外科手术的分工协作模式。就像外科手术中，主刀医生专注操作，护士在一旁递剪刀、止血钳等工具，无人机们也可以各司其职，交换工具。这样一来，每个无人机都可以专注于自己的角色，通过分工协作完成复杂作业任务。

飞行工具箱系统

飞行工具箱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；而操作无人机则拥有可伸展的机械臂，作为“操作手”。

核心技术模块

为了克服竖叠式飞行时的下冲气流，并在强风中实现高精度空中对接，赵世钰团队设计了三个“黑科技”核心模块：

1. 柔性电磁对接机构：这是一个在接触时会自动“吸附”的电磁智能接口，大大提升了对接的精准度。
2. 气流扰动估计与补偿方法：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，并进行补偿。
3. 高精度对接与操作控制技术：这一技术让上方的无人机“看得清”，让下方的无人机“飞得稳”。

实验室成果

在实验室中，这套全新的飞行工具箱空中协同操作系统运行稳定。赵世钰介绍，它不仅成功完成了不少于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。

未来展望

赵世钰展望说：“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。”

这一技术的突破不仅展示了无人机技术的新高度，也为未来的空中作业任务提供了新的可能性。随着技术的进一步发展和应用，我们有理由期待更多创新和实用的无人机应用场景。

中国团队研发的“飞行工具箱”空中协同操作系统，在国际上首次实现多架无人机飞行中高精度工具交换，攻克了近距离飞行与高精度操作的核心难题，成果发表于《自然》期刊。

🚀 技术突破：首次实现空中“叠罗汉”协作
两架无人机可像“叠罗汉”般上下竖叠飞行，上方操作无人机通过机械臂从下方工具箱无人机精准拿取/归还工具，完成任务协作。这一动作此前因“气流干扰”长期难以实现，是无人机技术的重要卡点12。

🧠 系统组成：分工明确的“空中手术团队”
无人机类型    功能定位    核心配置
工具箱无人机    工具“携带者”    携带爪子、剪刀等多种末端执行工具
操作无人机    任务“执行者”    配备可伸展机械臂，完成工具操作
（补充说明）系统灵感源于外科手术分工：主刀医生（操作无人机）专注操作，护士（工具箱无人机）负责递工具，实现复杂任务协作15。

🔧 三大核心技术破解“气流难题”
柔性电磁对接机构：接触时自动“吸附”的电磁智能接口，提升对接精准度25。
气流扰动估计与补偿：下方无人机实时计算上方产生的下洗气流（最强达6级风），动态调整姿态5。
高精度对接控制：让上方无人机“看得清”（视觉定位）、下方“飞得稳”（姿态控制），实现亚厘米级对接（平均误差0.80厘米）5。
✅ 成果与意义
稳定性验证：实验室中连续完成≥20次对接，运行稳定25。
应用前景：未来可用于风电维修、灾害救援等复杂场景，通过工具交换实现“1+1>2”的效能提升5。