突破性能天花板！科学家一招即让无人机可在空中“跑酷”

【导语】自然界中，生物以其卓越的特技飞行能力展现了生命的智慧与奇迹。受此启发，浙江大学控制科学与工程学院高飞团队成功研发出一套智能算法，使四旋翼无人机能够自主完成复杂特技飞行，包括连续经典动作组合与长距离无人干预飞行。该团队通过优化规划与控制算法，实现了在物理极限下运动智能的新突破，为无人机在极端复杂环境下的应用开辟了广阔前景。未来，这一技术有望应用于火山监测、灾害救援等多个领域，进一步提升飞行器的机动性能与适应能力。

180度角倒转锁定猎物的猎鹰、洞穴中倒挂栖息的蝙蝠群……自然界中，生物的特技飞行都遵循着相同的自然法则——在动力学极限边缘寻找最优解。顶尖飞手通过长期训练，也能够在复杂环境中创作无人机的“空中芭蕾”，而现有的无人机算法距离自主实现以上动作还有一定距离。自然生物具有的平衡姿态、速度与环境约束的能力，是当前空中机器人在复杂任务中极具参考价值的飞行智慧。

如何为机器建立可扩(kuò)展(zhǎn)组(zǔ)合(hé)的(de)特(tè)技(jì)动(dòng)作(zuò)语(yǔ)法(fǎ)？如(rú)何(hé)让(ràng)算(suàn)法(fǎ)像(xiàng)生(shēng)物(wù)神(shén)经(jīng)系(xì)统(tǒng)那(nà)样(yàng)在(zài)安(ān)全与(yǔ)激(jī)进(jìn)间(jiān)动(dòng)态(tài)平(píng)衡(héng)？基(jī)于(yú)以(yǐ)上(shàng)问(wèn)题(tí)，浙(zhè)江(jiāng)大(dà)学(xué)控(kòng)制(zhì)科(kē)学(xué)与(yǔ)工(gōng)程(chéng)学(xué)院长聘副教授高飞团队，以四旋翼无人机为载体，通过智能算法升级实现了空中机器人自主特技飞行，包括多个连续经典特技动作任意组合以及超过200米的全程无人干预自主飞行。只需要通用无人机的常规动力水平，系统即能实现专业竞速机的特技表现，证明了借助智能算法，无人机能够突破物理硬件性能的天花板。

如何给软件做“乘法”

2022年，团队曾攻克了未知复杂环境下空中机器人单机与群体的智能导航与快速避障方法，与此次突破相比，高飞将其类比为“城市用车”与“F1赛车”的关系，“这是空(kōng)中(zhōng)机(jī)器(qì)人算法领域的又一次突破。”

“在研究思路上，传统思路总在硬件性能上做加法，比如研制更强力的电机或是精度更高的传感器，但我们选择在规划和控制算法上做乘法。”高飞举例说，这就像体操运动员通过优化动作编排，用同样的体能就可以完成更高难度系数动作。

该工作通过构建动作-意(yì)图(tú)转(zhuǎn)换(huàn)准(zhǔn)则(zé)，将(jiāng)期(qī)望(wàng)的(de)飞(fēi)行(xíng)动(dòng)作(zuò)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)可(kě)量(liàng)化(huà)的(de)用(yòng)户(hù)意(yì)图(tú)；通(tōng)过(guò)风(fēng)险(xiǎn)-收(shōu)益(yì)评(píng)估(gū)方(fāng)法(fǎ)，求(qiú)出(chū)躲(duǒ)避(bì)障(zhàng)碍(ài)、节(jié)省(shěng)能(néng)量(liàng)和(hé)完(wán)成(chéng)特(tè)技(jì)动(dòng)作(zuò)三(sān)者(zhě)之(zhī)间(jiān)的(de)最(zuì)优(yōu)解(jiě)。该工作为挑战空中机器人(rén)性(xìng)能(néng)极(jí)限(xiàn)的(de)研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)思(sī)路：当(dāng)物(wù)理(lǐ)极(jí)限(xiàn)无(wú)法(fǎ)突(tū)破(pò)时(shí)，运(yùn)动(dòng)智(zhì)能(néng)就(jiù)是(shì)新(xīn)的(de)性(xìng)能(néng)边(biān)界(jiè)。

“我们为此开发了一套特技动作‘积木’系统——用户只需标注关键位置和姿态，如‘在此处倒飞’，系统会自动将这些离散指令转化为连贯的特技轨迹。”成果第一作者、浙江大学控制与工程学院博士生王鸣杨说，通过三类基础积木（纯位置、位置+姿态、位置+姿态+姿态锁定）的排列组合，系统能生成从简单空翻到连续组合的复杂特技动作，甚至生成人类飞手前所未见的新式特技。

“当我完成了初版的算法，满怀期待开展第一次室外飞行试验时，飞机莫名失控，当场摔得粉碎。”王鸣杨回忆，此后的一周他承受着巨大的心理压力，但在高老师的鼓励与指导下，他仔细复盘，发现了问题所在并最终突破了技术难点。

人机的较量

“极限操作”下怎样兼顾空中机器人的安全？

当无人机进行倒飞、空翻等极限动作时，传统控制方法会导致机体出现失控自转。团队创新设计的“偏航补偿算法”，让系统自动修正飞行姿态参数，确保无人机在复杂机动中始终维持精准且流畅的控制。

在高度仅3.5米的狭窄障碍空间里，空中机器人展现了媲美蜂鸟的灵巧性，倒飞穿过直径80厘米的圆环、在隧洞中连续蛇形机动。

团队做到了！

“这里我们独创的‘意图修正’功能如同经验丰富的导航员，即使输入特技意图不合理（如多个特技动作的间距过窄），系统仍然会自动调整无人机到安全合理的位置(zhì)和(hé)姿(zī)态(tài)。”王(wáng)鸣(míng)杨(yáng)说(shuō)。

人(rén)机(jī)对(duì)抗(kàng)，效(xiào)果(guǒ)又(yòu)如(rú)何(hé)？

“在(zài)连(lián)续(xù)倒(dào)转(zhuǎn)穿(chuān)越(yuè)6道(dào)1.2米(mǐ)窄(zhǎi)门(mén)的(de)测(cè)试(shì)中(zhōng)，中(zhōng)国(guó)无(wú)人机顶尖飞手成功率仅12.5%，而我们的系统实现100%完美通关。”高飞说，系统展现出超乎人类操作的稳定性。

在定性的对比实验中，自主系统更是展现了顶尖飞手难以达到的效果。在重复飞行的单特技动作测试中，专业飞手在完成特技动作时，需要更多的安全空间才能恢复稳态，而研发的自主无人机可以将空翻动作控制在小几倍的区域范围内。即便选择飞手的最佳飞行效果做对比，其轨迹也远不如使用算法自主飞得流畅。这证明系统在生成和执行复杂特技动作的能力方面，已达到人类难以企及的水平。

本项研究为无人机在极端复杂环境下的激进任务执行提供了无限可能。比如在火山监测领域，空中机器人有望实现喷发口边缘的探针抛投部署；在灾害救援中，对坍塌建筑内的狭窄缝隙可以实现快速探测……高飞说：“我们认为特技飞行能够提高飞行器对极端复杂环境的适应性和灵活性，从而提高飞行器在各种实际应用中的机动性能上限。”

未来，团队将进一步研究应对动态环境的自主导航方法，构建“感知-决策-执行”闭环系统和端到端自主决策框架，真正实现类生物特技飞行的全天候、全场景应用。（来源：浙江大学）