永不停止的脚步
——记中山大学空中机器人队获2017国际空中机器人大赛(亚太赛区)“系统控制”一等奖
参赛队伍大合照
8月26日下午,2017届国际空中机器人大赛(亚太赛区)在北京航空航天大学开幕,参加本次大赛的有清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中山大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、厦门大学、印度理工大学等十余所国内外高校。国际空中机器人大赛(International Aerial Robotics Competition, IARC)由美国乔治亚理工大学罗伯特教授于于1991年创立,美国无人机系统协会(AUVSI)资助,赛事至今已历经26年,完成了六代任务,均是从自动到自主控制逐步提高的高技术比赛任务。比赛通过设置具有挑战性的、实际意义的比赛任务推进空中机器人技术的进步。大赛至今已经成功完成了六个任务,这些任务在提出时几乎不可能实现,而当空中机器人最终完成任务时,其中某些技术水平都被提到了新的高度。今年是这项赛事的第26年,进行到第七代任务,启动于2014年的“空中牧羊犬行动”,要求空中机器人在10分钟内完全依靠机载感知、控制与计算,围堵和控制地面移动的“羊”、躲避和拦防随机移动的“狼”,直到把4只“羊”赶到绿色边界外。第七代任务技术难度大,任务启动三年以来,仍没有一支队伍通过无人机与地面机器人的交互赶出“羊”。2017年是第七代任务启动的第四年,能否有队伍完成7a任务?大家都拭目以待。
参赛队伍入场仪式
我校空中机器人队成立于2015年12月,由12名来自数据科学与计算机学院、电子与信息工程学院不同专业的本科同学组成,数据科学与计算机学院的成慧副教授担任指导教师,设置了策略、自定位、飞行控制、视觉识别、导航五个技术小组,2017年首次参加国际空中机器人大赛。8月25日清晨,我校空中机器人队队员在成慧老师的带领下,到达北京航空航天大学。为让无人机适应比赛场地,队员们开展了长达24小时不休不眠的代码调试。
26日上午的技术答辩环节中,我校队员的精彩演讲,展现出了我校无人机的创新性和系统控制的稳定性,获得了在座评委的一致好评,取得技术答辩第四名的好成绩。
中大队员回答评委老师的技术提问
26日下午及27日上午的三轮正式比赛中,中山大学代表队成为首支通过交互赶出地面机器人的队伍,因无人机的控制精准、视觉识别准确、定位精度高,多次实现了无人机与地面机器人的快速交互,当无人机赶出第一辆地面机器人时,全场欢呼,这是2014年第七代任务设立以来,首次通过无人机与地面机器人的交互赶出的第一辆地面机器人,是一个大的突破。
中大无人机起飞前的最后准备
其他参赛队伍也展现了高超的技术实力,取得了好的成绩,由13名硕士和博士研究生组成的浙江大学代表队,使用十分巧妙的全局策略和稳定的飞行控制成功赶出3架地面机器人;哈尔滨工业大学在前两轮比赛无作为的情况下,经过细心调试后,在第三轮比赛中成功赶出了2架地面机器人;厦门大学也成功赶出了一架地面机器人。
中大空中机器人队与大赛创始人乔治亚理工大学教授Robert Michelson合影
在队员们的不懈努力下,中大空中机器人队获得了“系统控制”一等奖的荣誉。
颁奖仪式
场上对手,场下朋友
本届大赛各队都表现了高超的技术水平,在策略与任务规划、室内导航、飞行控制方面取得了重大进步。国际空中机器人大赛第七代任务还没有结束。2018国际空中机器人大赛中,全球赛区的哪几只队伍能逐一突破技术难点,完成7a任务,累积了4年的4万元美金将花落谁家?让我们一起期待。
在本次大赛中,我校空中机器人的设计展现了一系列的技术能力:
1、飞行控制
概述:控制机动性高,起飞降落动作快速而稳定,交互行为全场最佳。
技术优势与难点:
控制组自主设计的飞行控制算法实现了飞行器在三维空间中的高机动和稳定飞行。
作为本场交互次数最多的队伍,我们还有秘技——降落不停桨,即飞行器在顶部触碰或快速拦截时,飞行器降落在地面机器人上或地面上时不停桨,这也是通过设计新颖的飞行控制算法来实现的;飞行器在准备交互阶段会降落到里地面30cm以下的区段,由于传感器存在测量盲区,这个区段采用开环控制,在开环区间做到精准交互实属不易。
交互的频繁性和成功概率除了与控制算法有关,也与交互所设计的结构有关,我们设计的触碰结构兼顾韧性和弹性,不仅轻巧耐用,而且能保证在交互时不会卡住地面机器人,在连续多次交互的情况下,触碰结构仍保持完好。
2、视觉跟踪
概述:对同一个地面机器人能一直进行跟踪交互,中途没有出现跟丢的情况。
技术优势与难点:
由于飞行器与地面机器人都处于运动之中,稳定跟踪并触碰地面机器人很有挑战性。在交互过程中,当飞行器降落至离地面30cm以下时,视觉和高度传感器都进入了测量盲区,控制进入开环阶段,此时飞行器并没有当前帧的识别地面机器人的数据;尤其在进行常规拦截时,飞行器从拦截、降落、等待,再次起飞时,有限的视野内往往没有之前的地面机器人。我们利用历史记忆的方法,在起飞时朝记忆方向做有限巡逻,从而实现不跟丢。
另一方面,在飞行器飞行过程中,在机体晃动的情况下,摄像头采集到的图像会出现拖影,影响识别。通过设计滤波算法,结合控制策略,实现平稳跟踪。
3、室内定位
概述:在比赛场地的精确定位,减少到边界矫正的次数,节约大量宝贵时间。
技术优势与难点:
设计扩展卡尔曼滤波器融合单目摄像头、惯性测量单元、地面格子模块的信息以精确估计飞行器的自身位置,不仅具有定位精度高的优势,相比频繁飞到边界矫正位置的方法更节约时间。