清华无人机,飞出国际NO.1
来源:英文翻译网 发表于2019-07-08 13:13:16 编辑:王安石
摘要: 清华无人机,飞出世界NO.1 记2019世界空中机器人大赛冠军THRONE团队 记者 程曦 现场直击 2019年8月4日下午2点半,清华大学归纳体育馆,2019世界空中机器人大

  清华无人机,飞出世界NO.1

   记2019世界空中机器人大赛冠军THRONE团队

  记者 程曦

  现场直击

   2019年8月4日下午2点半,清华大学归纳体育馆,2019世界空中机器人大赛(亚太赛区)竞赛现场。悉数竞赛挨近结尾,只剩下清华THRONE代表队行将进行因静态展现获最高分而赢得的一次额定试飞。

   人们在清华THRONE代表队的地面站和竞赛区域外 自动集结 ,里三层外三层围得风雨不透。前一天的竞赛中,清华的空中机器人(又称 无人机 )一举成名,仅用8分钟时刻就首先完结了全球7个国家32支代表队接连4年都没能应战成功的使命。这是偶尔吗?

  拍摄?谭树龙? 制图 陈琳

   进口指示灯灭,警报暂时免除,无人机稳稳地从窗口潜入 安全组织 ,在走廊与房间中自若转向、穿行。扫除一个又一个房间,来到走廊止境 这好像正是它要寻觅的方针房间,可它在屋里回旋扭转了几周,场外的人们仍是没有在大屏幕上看到无人机的 猎物 一张放有U盘的桌子。正在这时,地面站屏幕显现房间内侧呈现一个新的豁口,无人机就像长了眼睛相同, 义无反顾 地扎了进去。原来是个套间,桌子公然在这里!人们宣布一阵赞赏的惊呼。

   很可惜,时刻现已不行用了,但咱们仍是屏气凝思期待着THRONE无人机的进一步体现。渐渐飞到桌子上的盒子的正上方,下降,旋转,从头拔起,坠下自带的假U盘,预备脱离。它钩住方针U盘了吗?飞翔器脚架底部的 爪子 总算呈现在监控摄像头中,磁铁上牢牢吸附着方针U盘!

   超时,动力耗尽。但终究效果现已不重要了,关键是清华的无人机接连两次美丽地做到了竞赛对手们难以企及的事!一直在现场观战、而且亲手把U盘放到套间里以晋级竞赛难度的世界无人体系协会基金会履行主任达里尔 戴维森要来话筒,第一时刻表达恭喜: 清华的队员们一次又一次做到了赛前咱们以为或许无法完结的事,这是特殊的效果,给人留下了极为深入的形象。

   3天后,北美赛区战况揭晓,包含密歇根大学、佐治亚理工学院等在内的 业界高手 无一完结使命。清华大学THRONE代表队成为全球专逐个支应战成功的 使命终结者 ,独享累积了4年的4万美元奖金。

   这现已是一个满足光辉的战绩。可是许多人不知道,就在8月3日晚上,清华的无人机在调试中意外摔落,传感器硬件呈现问题,队员们不得不采取了较为保存的查找战略。假如没有这次意外,他们本来方案启用的 张狂版 战略按方案上台,那么不论U盘被放置在多么荫蔽的当地,无人机都能在5分钟内飞到装有U盘的盒子上方!

   仅仅第2次参赛,他们就以无可争议的体现,向世人展现了无人机范畴的 清华速度 、 清华水平 。

  引子? 与顶尖高手同场竞技

   2019年,自动化系戴琼海教授作为首席科学家开端掌管国家973方案项目 杂乱条件下飞翔器进近可视导航的根底理论研讨 。此前,戴琼海带领的宽带网数字媒体试验室在立体视觉及核算摄像学方面获得了重要展开,并期望凭借已有研讨效果进一步在飞翔器视觉导航方面有所建树。2019年,戴琼海组织研讨生王玉旺进行无人机方面的调研,了解相关范畴的展开状况,世界空中机器人大赛就这样走入了他们的视界。

   世界空中机器人大赛(International Aerial Robotics Competition,IARC)始创于1991年,由闻名机器人学家、佐治亚理工学院教授罗伯特 米切尔森建议,由世界无人体系协会(Association for Unmanned Vehicle Systems International,AUVSI)举行并资助。美国斯坦福大学、卡耐基梅隆大学、佐治亚理工学院、麻省理工学院和德国柏林理工大学等世界一流名校都曾是竞赛的赢家。竞赛最杰出的特色便是需求空中机器人在无人干涉的状况下自主完结使命。竞赛历经六代使命,每代使命都规划了赋有想象力的布景(如灾祸现场搜救、核电厂抢险、古墓夺宝等),具有很强的应战性和趣味性,使命完结后就进入下一代使命。第1~4代使命重视室外自主飞翔(可以凭借GPS等定位设备),从第5代开端加大难度,改为室内环境而且不能依托任何外部定位设备的辅佐,自2019年开端的第6代使命更是在彻底自主飞翔的根底上提出与环境交互的要求。要想顺畅完结使命,参赛队的小型自主飞翔器必须在10分钟内完结隐秘潜入、查找房间、寻觅并互换U盘以及隐秘撤离的全进程,难度十分大。

   这项在无人机视觉导航范畴与世界高手过招的竞赛很快引起了自动化系师生的爱好。2019年,恰逢大赛初次在我国建立亚太赛区,以自动 化系学生为主体,清华正式组队参赛。由于时刻紧、难度大,加上竞赛首要调查的是各参赛队无人机的高层操控体系规划,所以团队从德国公司购买了飞翔器根底体系、传感器体系、机载电脑和其他底层操控体系配件,在戴琼海的辅导和自动化系博士后李一鹏的带领下,用不到3个月的时刻完结了通讯架构、不知道环境自主建模与定位、途径规划和飞翔器操控4个模块的规划作业,为竞赛作好了预备。

   实践竞赛的效果却不尽善尽美。由于缺少竞赛阅历,对竞赛场景的杂乱程度估计不足而暴露了许多程序规划上的缝隙,终究清华的无人机尽管顺畅进入窗口,但仅仅在走廊里探寻了一番便归航了,没有展开下一步的查找举动。尽管初次参赛便获得亚太赛区第二、全球第四的较好效果,但队员们自己并不满足,憋了一股劲儿要在本年的主场竞赛中为清华无人机 正名 。

  亮点? 每一步都考虑最杂乱状况

   在现场看竞赛的观众都会有一个感觉:清华的无人机是最智能的。当大多数部队还在尽力操控无人机的飞翔姿势、为跳过激光绊网进入窗口而尽力时,清华的无人机总能稳健而灵敏地直直 潜入 ,在走廊里全速行进;到了正确的门牌号前,它的辨认敏捷精准;而当来到方针U盘上空时,它又不急不躁,调整到最佳姿势和高度,一抓一放,顺畅 以假乱真 。

   进程的完美,是用不放过任何细节的预备换来的。在竞赛使命触及的每一个环节,队员们都尽最大或许规划最鲁棒的程序和最高效的战略。这次竞赛中,另一支强队和清华具有同一公司出产的无人机,效果却差了许多。两队沟通时他们惊奇地发现,清华队员编写的代码共约20000行,是他们的20倍!

  陈琳 图

   上一年的竞赛阅历让清华队员们对 细节决定胜败 有了更深层次的知道,任何一个环节的瑕疵都会导致整个使命的失利。高精度的室内不知道环境自主定位、高效快速的途径规划战略可以保证体系战略层次的整体性,正确辨认方针房间和放在桌子上盛有U盘的盒子则是战术层次上的细节,而这全部又都构建在精准的飞翔器姿势操控结构上。

   彻底不知道且杂乱的室内竞赛环境,对无人机的自主定位是很大的检测。由于竞赛进程中禁绝运用GPS等外部定位设备,飞翔器每行进一步,都必须依托自己的 眼睛 机载传感器进行自主定位。队长王玉旺充沛考虑了飞翔器高动态对激光束环境扫描效果的影响,合理选取建模数据并构建了齐备的自主定位结构。一同,使用平面镜反射激光束来丈量飞翔高度,这样就能经过二维扫描完结高度丈量和定位,终究使无人机室内自定位精度到达厘米等级。

   在途径规划方面,体系智能性的行进更为显着。上一年竞赛中飞翔器选用的是单一的 沿墙走 算法,就像进入迷宫或黑夜里的人,只能摸着墙走,才干保证不重复、不走丢,但探究功率太低。本年李一鹏和自动化系研讨生芦维宁一同规划出 以不知道区域为驱动 的自动探究战略,充沛发挥了飞翔器 眼睛 的效果,在保证环境查找遍历性的一同大大行进了查找功率。

   同为自动化系大四结业生的闫伟和施泽南别离担任 找门 和 找盒子 。闫伟的程序足以扫除形状相似的假门,不需求耗费时刻排查可疑方针,直接就能把它带到正确的门前;施泽南则跳出一般部队先找桌子、再找盒子的窠臼,使用激光扫描捕捉房间内显着反常的概括,然后依据线条形状、视点、长度等特征验证它与盒子的匹配程度,很快就能直接把盒子 拎出来 。

   还有一个让队员们颇感骄傲的奇妙规划便是 切参数 。针对无人机飞得快就不稳、飞得稳就不快的特色,自动化系本科结业生罗濬维为底层飞控体系规划了两套参数、两种形式:在空荡荡的走廊里选用 暴走形式 ,步长到达80厘米乃至1米,最大极限地行进探究功率;而在房间内寻觅盒子和抓取U盘时,为了保证命中率,则要切换到 定点形式 ,步步为营。

   为了保证整个战略的鲁棒性,队员们搭建了一个 自黑 的环境,本着 尽或许让飞机出问题 的准则,制作各种极点状况来刁难自己,再逐个加以处理。施泽南自傲地说: 甭说套间,便是里边再套一个房间,咱们的无人机也能把它找出来。房间里的杂乱程度仅仅延长了它的作业时刻,并不会影响咱们算法的整体性。

  团队? 推 飞机推出的世界第一

   清华的团队力气在这次竞赛中给人留下了深入形象。赛后的颁奖晚宴上,大赛裁判委员会主任、北京航空航天大学教授陈宗基指出,清华THRONE团队本年之所以获得这么好的效果,一个很重要的原因便是特别重视部队传承。

   本届竞赛清华的参赛部队由来自自动化系和钱学森力学班的15人组成,包含博士后3人、硕士生4人、本科生8人。除了辅导教师李一鹏和王玉旺、芦维宁、罗濬维、张奕烜、杨盛等5名中心队员持续留队,本年的参赛部队中有许多新生力气。上一年的老队员由于结业等原因没能持续参赛的,只需有需求还会随时供给协助,而且介绍得力的同学或师弟师妹加盟。

   两年来,清华知名度很高的学生科技集体 天空工场 和未来机器人爱好团队等都为THRONE团队供给了人力物力支撑。来自未来机器人爱好团队的自动化系大二学生李修尽管年青,却是队员们眼里的 硬件百事通 ,他那个大大的东西箱里装满了其他同学看来十分奥秘的东西,不论多么千奇百怪难以搞定的硬件问题,到他手里根本都有处理办法。

   高中时曾在全国青少年信息学奥林匹克竞赛中获得佳绩的自动化系大一学生张洵恺有种能用 相似核算机运转的方法 思考问题的绝技,做了许多体系算法的优化作业,包含为室内探究的战略写了两个很重要的函数;自动请缨参加团队的钱学森力学班大一学生何长耕尽管在技术上暂时还不能帮到学长们太多,但他积极参与评论,并承当了严重备战进程中大部分的 体力活 ,边干边学。

   这支部队里的每位队员都有自己的过人之处,更可贵的是,他们懂得怎样把力气凝集在一同,在最短的时刻里一同获得最大的行进。

   会集备战的两个月里,队员们回宿舍睡觉的时刻越来越晚,到终究爽性就在试验室用泡沫塑料板打地铺。竞赛前的两三周,各个模块都要用专一的一架飞机进行调试,咱们就分红白班夜班轮番作业,均匀每人每天至少作业十七八个小时。

   为了充沛验证遍历走廊、寻觅房间、查找U盘以及安全退出等战略的齐备性,保证终究可以完结使命,一同为了行进试验功率,清华无人机许多的程序调试都是经过 推 而不是 飞 来完结的。李一鹏介绍说,曾经有整整一周的时刻,白日他跟队员们编写中心代码并进行飞翔测验,晚上再带着芦维宁、何长耕在主楼8层长长的走廊里推飞机。他们半蹲在地上,把飞机放在小车上,用双手推广以模仿各种飞翔状况。行进40厘米、左转30度、撤退10厘米 往往一推就推到天亮,这才感觉到腰部酸疼难忍。一个星期的推飞机试验,为竞赛中成功完结使命奠定了坚实的根底。

   THRONE飞翔器上那个抓取U盘的精巧设备,也是接近竞赛时咱们 脑筋风暴 的结晶。操作手李修在上一年的规划根底上改善了机械吊臂的规划,之后又规划了一个悬挂磁铁并使用下视摄像头的设备,但机械臂过硬,而线又过软,效果并不抱负。终究,咱们把目光落在了平常常常顺手耍弄的小东西 尼龙扎带上。在王玉旺的构思根底上,队员们花了一天的时刻进行翔实的改善试验,发现许多问题并终究确认了扎带软爪的磁铁数量、长度、悬挂方位,以及飞机在盒子上方定位方位、旋转圈数等一系列参数。之后的每次试验,飞机十有八九都能吸到U盘,这才造就了竞赛中好像 信手拈来 的效果。

   两个月的时刻里,有苦也有乐。他们每个人都做过摔飞机的噩梦,也曾一同为把飞机总重量操控在竞赛要求的1500克以内,赛前终究一晚张狂地扒胶带、卸外壳、换螺丝。眼看飞机越来越 本性 也越来越轻盈,伴随着汗水涌出的,还有浓浓的成就感。

   8月3日下午,当凝集了他们许多汗水的小小四旋翼飞机从 安全组织 里带着U盘轻盈飞出时,队员们把李一鹏高高抛到了空中。那一刻,这个永远在早上担任叫醒队员、历来也没有人看到他什么时候入眠的粗暴的东北小伙儿感到了心中说不出的悲欢离合。

  展望? 为无人机装上高科技的 才智之眼

   谈到竞赛带来的收成,王玉旺和施泽南有一个一同感触,便是总算真实理解了 自动化 这个专业的意义。它不仅仅是自动操控,也不是同学间玩笑时说的 比电子软一点,比核算机硬一点 。为了这次竞赛,他们分工合作,完结了底层通讯、不知道环境自主建模与定位、途径规划和飞翔器操控等软件模块,亲手加装改造一些硬件设备,把一架 裸机 改形成 慎思层拟定战略、算法层完结战略、操控层遵循战略 的智能飞翔体系,收成的不仅是成就感,更是对这整个体系的深入理解与融会贯通。

   效果并没有遮盖队员们的双眼,他们清醒地知道到,对实践使用而言,这架飞机仍是太简略了。未来的研讨作业中,他们期望能进一步处理根底中心问题,完结真实的三维环境重建和更智能的方针辨认。

   戴琼海曾经在课堂上提出一个想象: 能不能有这么一架无人机,从7楼试验室穿过人群和楼梯等各种障碍物,为在4楼上课的我端来一杯水? 这个对人类来说垂手可得的使命,要想由空中机器人来完结,需求做的事还许多。

   一个以视觉研讨为主的试验室,为什么对无人机的课题这么感爱好?李一鹏介绍说,戴琼海领导的宽带网数字媒体试验室在立体视觉、核算视觉等方面具有雄厚的理论沉淀,无人机视觉导航则是这些理论效果的重要使用方向之一。 现在无人机研讨的前沿方向不再是底层的飞翔操控体系,而是上层的传感器载荷。丰厚的传感器及精准的处理算法便是无人机的高科技 眼睛 。有了这双 才智之眼 ,无人机才干真实成为一个智能飞翔体系,在未来的国民经济建设中发挥不行代替的效果。

   竞赛现已完毕,而愿望终将提高。在未来的日子里,THRONE团队期望能规划出愈加精巧杂乱的智能飞翔体系和集群,具有室外天然环境自主定位与导航功用,并可以实时重建大型建筑物的三维模型。 现在,世界上相关范畴最出色的高校也只能做到离线建模。若能完结宽广天然场景中的自主环境感知和实时三维建模,那将是十分前沿的科技效果。 对这样的远景,李一鹏充满信心。

  来历:新清华 2019-08-30

   2019年09月02日 15:28:39

  

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