互动科普

未来，旋翼飞行机器人将在环境监控、侦察、救援等很多领域发挥重要作用。

撰文：朱晓蕊

2012年春天，当美国宾夕法尼亚大学教授维贾伊·库玛（Vijay Kumar）登上TED大会的演讲台时，受到了热烈欢迎，因为他展示了一个前所未有的微型飞行机器人团队。

TED（Technology, Entertainment, Design，即技术、娱乐、设计）大会的宗旨是“用思想的力量改变世界”，每年春天在洛杉矶海滨长滩举办的TED大会，都是一次思想的盛会。讲演中出现的新技术，往往会在未来引领潮流。因此，TED大会一票难求，7,500美元一张的门票，每年有一万人申请，却只有一千人荣幸地得到邀请。TED会场台下冠盖云集，没准，你的邻座就是一位诺贝尔奖得主或是比尔·盖茨那般的著名人物。

库玛能在这样的会场中赢得暴风雨般的掌声，绝非偶然。他的精彩讲演和那队四旋翼微型飞行机器人出色的表演，都给人以震撼。微型飞行机器人团队可以像一队士兵在操场上那样变幻出各种整齐队形，并静止悬留在空中；也可像一群小鸟筑巢那样搬来构件，瞬间搭建起一座建筑；还可超越杂技中的空中飞行演员，飞行穿过别人抛出的圆环，更不用说在空中的高难度翻滚动作。

库玛的微型飞行机器人团队最不可思议的表演，是演奏电影《007》的主题曲，微型飞行机器人在空中穿行，飞上飞下，弹奏和击打各种乐器，音乐由此响起。

飞行机器人家族

库玛的讲演，让全世界看到了旋翼飞行机器人，也即无人直升机的光明前景。

今天活跃在全世界的机器人群体中，移动机器人是品种最繁多的一大类。移动机器人有地面轮式机器人、多脚爬行机器人、水下机器人、飞行机器人等等。

讲到飞行机器人，不得不提到这几年在新闻媒体中大出风头，并可能影响未来战争的无人机。从欧洲文艺复兴时期达芬奇的Ornithopter设计手稿开始，经过漫长的飞行器技术的进化演变，现代飞行器逐步走向成熟和多样化，由此产生了高性能的固定翼飞机、旋翼飞机（直升机）等不同的飞行器。在这些性能良好的飞行器基础上，无人机——飞行机器人——诞生了。无人机具有机器人必须具备的感知能力和判断能力，靠自主操作完成飞行任务，它是现代航空技术与人工智能技术的完美融合。

在飞行机器人中，通用的飞行器载体是固定翼飞行器、旋翼飞行器和扑翼飞行器。固定翼飞行器不能在空中悬停，而旋翼飞行器和扑翼飞行器则可以。最常见到的旋翼飞行器是直升机，它的空气动力学原理，比固定翼飞行器要复杂得多。而设计旋翼飞行机器人，也比一般的固定翼无人机困难。这是无人机技术很有挑战性同时又方兴未艾的领域。

自上个世纪90年代初开始，无人直升机的飞行控制技术便受到了各国的高度关注，美国、日本、德国等国的著名高校争相投入科研资源，大力推进无人直升机飞行控制的研发工作。直至今日，每年一度的国际无人机（UAV）大赛仍然是各个高校比拼最新研究成果的舞台。

追溯到1991年，美国的卡内基·梅隆大学率先开始了基于视觉的小型旋翼飞行机器人飞行控制系统的研究，主要针对灾害后的救援与搜索、警用巡逻、地图绘制、航拍等主要应用中的共性问题进行研究。卡内基·梅隆大学的机器人研究小组于1995年第一次实现了飞行姿态的自主控制和利用视觉信息进行目标追踪，后来他们在1996年又实现了自主起降和平滑轨迹追踪，并加入了通过传感器融合算法后的姿态计算。同时，该研究小组的科学家还实现了一些基于视觉的控制功能，例如多目标追踪、颜色区分以及空中地图的绘制，而且在1997年赢得了UAV大赛的冠军，并于1998年在美国航空航天局（NASA）的资助下，完成了对加拿大部分地区的高精度地图绘制。

从本世纪初开始，有很多研究人员不满足于最基本功能的实现，试图通过建立精细模型，或利用复杂的控制器设计方法，来进一步提高旋翼飞行机器人的控制精度。一部分研究人员尝试了基于无模型的控制策略，也就是仅仅依赖所能观测到的系统的输入和输出数据来设计控制器的方法。对于无人直升机系统来讲，输入的是电机信号，输出的是无人直升机的飞行姿态、位置和速度。其中最值得一提的是，斯坦福大学的科学家阿比尔（Abbeel）等人在2006年研制出的可以自主学习的飞行机器人，通过有飞行经验的操作人员进行操控，完成数次飞行之后，机器人便可以学会他的飞行技巧，从而达到了“教直升机”飞行的效果。借助此方法，他们实现了小型无人直升飞机的悬停、倒立和特技飞行。

更精细的数学模型

然而，更多科学家还是倾向于以数学模型为基础，来设计控制方法。相对于无模型的控制方法，基于模型的控制方法不需要任何学习过程便可以进行自主控制，设计过程的数学推理也更严谨。这类控制器的设计主要依赖于无人机系统的数学模型，模型越精确，控制效果越好。因此如何得到更精细的模型，是设计这类控制器的关键问题。

建立模型的过程，是了解无人直升机系统工作原理的过程，是理解直升机系统输入和输出之间的关系，并将这种关系数学化的一个过程。在建立数学模型的初期，科学家会假设，直升机系统的输入和输出是呈线性关系的，即线性模型。1994年，美国加州理工学院的莫里斯（Morris）等人获得的直升机线性模型，可以说是此后几乎所有直升机数学模型的基础。从那时起，很多研究人员在莫里斯模型的基础上不断改进，包括中国上海交通大学和南京航空航天大学的学者也在无人机建模方面作了类似的研究。其中比较典型的、迄今为止还在应用的模型，当数美国卡内基·梅隆大学梅特勒（Mettler）等人建立的具有较高带宽的线性动力学模型，该模型可以描述更多直升机的飞行状态。直至今日，基于线性模型的控制方法还是大多基于莫里斯模型进行设计。

然而，非线性模型实际上更能真实地反映无人直升机系统的输入和输出关系。因此，为了满足更复杂任务的要求，一些科学家开始探索直升机的非线性模型，并基于非线性模型设计控制器。最早有文献记载的这类研究，是美国麻省理工大学加弗里莱茨（Gavrilets）等人，于2001年利用直升机飞行的物理原理所建立的直升机非线性模型，只是在这个模型中，很多参数在实际中还难以确定。因此，随后的研究大多是围绕如何确定模型中的参数来展开的，至今这也是此类研究中的热点和难点。

基于非线性模型的小型无人直升机的飞行控制，也是近年来的一个研究热点。从理论上来讲由于模型更精确，应该能更精准地控制无人直升机。然而，目前基于非线性模型的控制器还大多停留在理论研究和仿真阶段，还没有足够的实验数据来为这类控制器画上完美的句号——这个句号何时能画上，还取决于以后的研究成果。

飞行机器人能做什么？

这么多国家和科学家都在研究旋翼飞行机器人，就是因为它有很多用途。

还是以《007》系列电影举例吧。大家一定都对其中匪夷所思的精彩特技印象深刻，而影片中扣人心弦的特技画面拍摄，很多都需要借助无人直升机来实现。无人直升机携带摄像机在空中追踪演员，画面实时传回地面的导演面前，导演根据剧情要求来拍摄，比如，需要定位拍摄时，便让无人直升机在指定位置悬停拍摄。

电影拍摄，仅仅是无人直升机技术应用的一个领域，环境监控也是一个重要的应用方向。高压输电线路的巡检是其中一个典型的例子。我国大部分的超高压大容量电力线路都需要穿越各种复杂的地理环境，特别是穿越原始森林边缘地区、高海拔、冰雪覆盖区以及沿线存在频繁滑坡、泥石流等地质灾害的地区。这些地区大部分山高坡陡，交通和通讯极不发达，依靠人工监测的困难很大，因此目前大部分地区仍采用飞行员驾驶直升机和人工监测结合的方式来巡检。然而由于工作的环境的复杂性，飞行员的安全是困扰电力部门的一个主要问题。试想一下，如果采用飞行机器人来巡检，情况就会有所不同了。飞行机器人可以携带检测装置沿着既定的输电线路飞行，并确定故障的准确位置，也可以悬停在线路的任何位置进行定点检测。

另外，人们还希望旋翼飞行机器人可以在人群密集的地区完成巡逻、监控、侦察等任务，这就要求旋翼飞行机器人往小型化和灵活性方向发展。由此，近几年又出现了多旋翼飞行机器人的研究热潮，最典型的是四旋翼飞行机器人，除了美国和欧洲各国的高校之外，上海交通大学、天津大学等国内高校也在做类似研究。四旋翼飞行机器人的代表，则是前面描述的美国宾夕法尼亚大学库玛等人的微型机器人。

目前，无人直升机领域取得了可喜的进展，但科学家总希望发展得更快，并尽快与有人驾驶直升机并驾齐驱。我心中一直有一件遗憾而痛心的事情。2008年的汶川大地震中，我参与研制的无人直升机被国土资源部征召到现场，在了解灾情方面发挥了一些作用。但是，那时的无人直升机还远没有达到能真正替代有人驾驶直升机去执行任务的程度，以至于在当时极端恶劣的气象条件和极端复杂的地形条件下，只能冒着风险，出动有人驾驶直升机，造成了飞机触山坠落的悲剧。

也许，随着无人直升机技术的迅速成熟，这样的悲剧就可以避免。

本文作者：朱晓蕊是哈尔滨工业大学深圳研究生院的副教授和博士生导师，也是IEEE机器人与自动化学会产业活动执委会成员。她在美国犹他大学机器人系统研究中心获得博士学位，一直从事智能移动机器人系统与技术的研究。2012年，她负责研制的考古预探测机器人系统获得了国家科技进步二等奖。