180度角倒轉鎖定獵物的獵鷹、洞穴中倒掛棲息的蝙蝠群……自然界中，生物的特技飛行都遵循著相同的自然法則——在動力學極限邊緣尋找最優(yōu)解。頂尖飛手通過長期訓練，也能夠在復雜環(huán)境中創(chuàng)作無人機的“空中芭蕾”，而現(xiàn)有的無人機算法距離自主實現(xiàn)以上動作還有一定距離。自然生物具有的平衡姿態(tài)、速度與環(huán)境約束的能力，是當前空中機器人在復雜任務中極具參考價值的飛行智慧。

如何為機器建立可擴展組合的特技動作語法？如何讓算法像生物神經(jīng)系統(tǒng)那樣在安全與激進間動態(tài)平衡？基于以上問題，浙江大學控制科學與工程學院長聘副教授高飛團隊，以四旋翼無人機為載體，通過智能算法升級實現(xiàn)了空中機器人自主特技飛行，包括多個連續(xù)經(jīng)典特技動作任意組合以及超過200米的全程無人干預自主飛行。只需要通用無人機的常規(guī)動力水平，系統(tǒng)即能實現(xiàn)專業(yè)競速機的特技表現(xiàn)，證明了借助智能算法，無人機能夠突破物理硬件性能的天花板。

如何給軟件做“乘法”

2022年，團隊曾攻克了未知復雜環(huán)境下空中機器人單機與群體的智能導航與快速避障方法，與此次突破相比，高飛將其類比為“城市用車”與“F1賽車”的關系，“這是空中機器人算法領域的又一次突破。”

“在研究思路上，傳統(tǒng)思路總在硬件性能上做加法，比如研制更強力的電機或是精度更高的傳感器，但我們選擇在規(guī)劃和控制算法上做乘法。”高飛舉例說，這就像體操運動員通過優(yōu)化動作編排，用同樣的體能就可以完成更高難度系數(shù)動作。

該工作通過構建動作-意圖轉換準則，將期望的飛行動作轉化為可量化的用戶意圖；通過風險-收益評估方法，求出躲避障礙、節(jié)省能量和完成特技動作三者之間的最優(yōu)解。該工作為挑戰(zhàn)空中機器人性能極限的研究人員提供了新思路：當物理極限無法突破時，運動智能就是新的性能邊界。

“我們?yōu)榇碎_發(fā)了一套特技動作‘積木’系統(tǒng)——用戶只需標注關鍵位置和姿態(tài)，如‘在此處倒飛’，系統(tǒng)會自動將這些離散指令轉化為連貫的特技軌跡。”成果第一作者、浙江大學控制與工程學院博士生王鳴楊說，通過三類基礎積木（純位置、位置+姿態(tài)、位置+姿態(tài)+姿態(tài)鎖定）的排列組合，系統(tǒng)能生成從簡單空翻到連續(xù)組合的復雜特技動作，甚至生成人類飛手前所未見的新式特技。

“當我完成了初版的算法，滿懷期待開展第一次室外飛行試驗時，飛機莫名失控，當場摔得粉碎?！蓖貘Q楊回憶，此后的一周他承受著巨大的心理壓力，但在高老師的鼓勵與指導下，他仔細復盤，發(fā)現(xiàn)了問題所在并最終突破了技術難點。

人機的較量

“極限操作”下怎樣兼顧空中機器人的安全？

當無人機進行倒飛、空翻等極限動作時，傳統(tǒng)控制方法會導致機體出現(xiàn)失控自轉。團隊創(chuàng)新設計的“偏航補償算法”，讓系統(tǒng)自動修正飛行姿態(tài)參數(shù)，確保無人機在復雜機動中始終維持精準且流暢的控制。

在高度僅3.5米的狹窄障礙空間里，空中機器人展現(xiàn)了媲美蜂鳥的靈巧性，倒飛穿過直徑80厘米的圓環(huán)、在隧洞中連續(xù)蛇形機動。

團隊做到了！

“這里我們獨創(chuàng)的‘意圖修正’功能如同經(jīng)驗豐富的導航員，即使輸入特技意圖不合理（如多個特技動作的間距過窄），系統(tǒng)仍然會自動調整無人機到安全合理的位置和姿態(tài)?！蓖貘Q楊說。

人機對抗，效果又如何？

“在連續(xù)倒轉穿越6道1.2米窄門的測試中，中國無人機頂尖飛手成功率僅12.5%，而我們的系統(tǒng)實現(xiàn)100%完美通關。”高飛說，系統(tǒng)展現(xiàn)出超乎人類操作的穩(wěn)定性。

在定性的對比實驗中，自主系統(tǒng)更是展現(xiàn)了頂尖飛手難以達到的效果。在重復飛行的單特技動作測試中，專業(yè)飛手在完成特技動作時，需要更多的安全空間才能恢復穩(wěn)態(tài)，而研發(fā)的自主無人機可以將空翻動作控制在小幾倍的區(qū)域范圍內(nèi)。即便選擇飛手的最佳飛行效果做對比，其軌跡也遠不如使用算法自主飛得流暢。這證明系統(tǒng)在生成和執(zhí)行復雜特技動作的能力方面，已達到人類難以企及的水平。

本項研究為無人機在極端復雜環(huán)境下的激進任務執(zhí)行提供了無限可能。比如在火山監(jiān)測領域，空中機器人有望實現(xiàn)噴發(fā)口邊緣的探針拋投部署；在災害救援中，對坍塌建筑內(nèi)的狹窄縫隙可以實現(xiàn)快速探測……高飛說：“我們認為特技飛行能夠提高飛行器對極端復雜環(huán)境的適應性和靈活性，從而提高飛行器在各種實際應用中的機動性能上限。”

未來，團隊將進一步研究應對動態(tài)環(huán)境的自主導航方法，構建“感知-決策-執(zhí)行”閉環(huán)系統(tǒng)和端到端自主決策框架，真正實現(xiàn)類生物特技飛行的全天候、全場景應用。（來源：浙江大學）