水空兩棲無人機
魯仁全
陸空兩棲無人機
科技賦能生活，說起無人機，很多人不再覺得稀奇。但是，會“變身”的無人機，你見過嗎？本期“趣探實驗室”走進廣東工業大學智能決策與協同控制研究所，看這里的無人機如何機智“變身”，玩轉水陸空。
研究所在做什么？長江學者、國家杰青、廣東工業大學智能決策與協同控制研究所所長魯仁全解釋，理論上來說，實驗室重點研究智能決策和協同控制，通俗地說，就是通過算法給無人自主系統“下命令”“做調度”。特定環境下擁有特殊功能的自動載體，這是團隊組建之初便定下的研究方向。發展至今，團隊已有水空兩棲、陸空兩棲、16旋翼大型載人無人機、無人車等四款主打載體產品，主要應用于水庫巡檢、水質檢測、電力巡檢、智慧文旅等民用領域。
聰明“大腦”發令 無人機能飛也能游
走進廣東工業大學智能決策與協同控制研究所，記者一下子就被展架上一字排開的一排排無人機所吸引。別看它們外貌相似，功能卻大有不同，航拍、航測、巡檢、定位……想要無人機做什么，給它裝上適配的“大腦”，下達相應指令即可。
更讓記者覺得眼前一亮的，當屬可以“變身”的水空兩棲無人機。“空中能飛，水下能游”，簡單幾個字，實現起來卻并不容易。“空中飛的時候是旋翼的形式，下水游的時候就不能旋翼了，旋翼阻力太大，就要把它收起來。”魯仁全介紹，這一“下”一“收”，發揮關鍵作用的便是變結構無人自主系統。
不同于傳統變結構控制理論，團隊重點研究機械結構突變、運行環境突變和網絡拓撲突變的無人自主系統基礎理論與關鍵技術，具有重要的理論和應用價值。正是團隊的創新研究成果“變結構姿態控制”，得以讓無人機在由空入水時實現高效平穩姿態控制。據了解，這也是團隊的獨有技術，團隊因此也獲評2021年國家自然科學基金委創新研究群體項目。
“控制和校正是同時的，如果校正時有延時，無人機就掉進水里了。”魯仁全介紹，這款水空兩用無人機有自己的“眼睛”和“耳朵”，除了按照既定的控制信號工作，當它判定周遭環境發生了變化，會自動適應校正，實時調整參數切換到水下模式，通過控制下潛的角度和深度等關鍵參數，穩穩潛入水下。目前，團隊已經具備了獨立研發和制造變結構無人自主系統的能力和條件，研發的水空兩用無人機已成功應用于水體采樣、水庫巡檢等場景。
此外，團隊還將無人機和無人艇結合，解決了無人機充電的問題。無人機電池容量有限，因此巡航半徑和時間也有限，在無人艇的支持下，無人機可以自主起飛、自主降落、自主充電，將其巡航時間和距離拓寬百倍之多。
協同控制練就“好隊友”
另一款會“變身”的無人機是空中能飛、地上能跑的陸空兩棲無人機。魯仁全介紹，其典型的一個應用場景是消防救援。如遇火勢較大、煙霧較濃等情況，小小無人機就派上了大用場。它可以從較小的縫隙中水平飛進火場，然后切換姿態，上下飛行進行探測，然后將火場里的信息傳遞出來，指導救援救火工作。
個體在特定環境下單獨作戰能力超群，如何保證多個載體高效協同作業？魯仁全解釋，在一個編隊里，通常會有領導者及其支援體，就像一只頭鳥帶領鳥群飛向目的地那樣，每個成員的功能不一樣。如果有成員掉隊失聯，此時網絡拓撲結構發生變化，通訊方式也就隨之發生改變。不同能力的載體如何協作？通訊不暢時怎樣完成任務？這些都是協同控制需要直面的“難題”，團隊在協同控制領域的代表性研究成果——異構無人自主系統協同控制理論與技術有效解決了這一問題。
“它走的路越多，會越來越聰明。”魯仁全說，無人機也在不斷地積累算法，就像人類積累經驗那樣，自主學習，慢慢進化。然而，載體本身算力有限，研究人員也會對其進一步迭代升級，通過調整參數讓它更“聰明”。
科研面向經濟“主戰場”
不在實驗室里“做玩具”
盡管目前團隊研究的無人機的響應速度和控制精度已經基本達到所需預期，但魯仁全團隊并不滿足于此。據透露，智能決策與協同控制研究所正在搭建這樣一個平臺，所有的載體一旦起飛，數據就會源源不斷地傳輸到后方服務器，進而對數據進行二次挖掘，不斷進行優化迭代。“對自然界未知的探索是無法完全預測的，環境在不斷地突變，因此也要不斷地調整算法。”魯仁全說。
據了解，近五年，團隊成員合作獲得了30余項國家/省部級項目支持。團隊成員各類獎項斬獲頗豐，其中包括教育部自然科學一等獎2項、廣東省科技進步一等獎1項、廣東省自然科學二等獎1項。研究所已經申請專利100多項，其中30多項已經得到授權。
“國家對我們的投入是很多的，我們不能用這些投入在實驗室里‘做玩具’，我們要去解決社會經濟發展的問題。”魯仁全坦言，面向科技前沿，團隊做到了；面向經濟‘主戰場’，是團隊迫切需要發力之處。目前，團隊正在和企業協作將研究成果落地轉化。
一專多能型團隊
人人都是“多面手”
魯仁全說，最初，團隊專攻飛控系統的算法研究，買來現成的無人機，在二次開發平臺下專門研究算法，比如無人機飛多高飛多遠、怎樣轉彎、如何編隊等。然而，團隊很快就發現無論控制方法再好，對于他們想要實現的特定動作和功能，機器結構改變之后并不能達到預期。
買來的無人機實現不了特定功能怎么辦？自己做！隨著自主系統研究的開展，團隊也慢慢變成了“多面手”，機械設計、制造、組裝等都不在話下。記者在實驗室看到，3D打印機、激光切割機、激光雕刻機……所需設備一應俱全。研究所副教授陶杰隨手拿起一個螺旋槳葉片介紹道，它就是實驗室用碳纖維原料通過3D打印加工而成的，重量和塑料差不多，但強度和鋼相當。
“在不同特性、不同轉速、不同力下，機身不同的位置都有不同的精度要求。”魯仁全坦言，如果去買，市面上沒有同一型號的，即便有，成本也很高，團隊索性就自己動手解決。如今，除了電池，載體身上的主要零部件，甚至連伺服電機都是團隊自主設計和制作的。
“慢慢就做起來了，越來越開闊。”魯仁全介紹，從最初他一人“單槍匹馬”，團隊發展至今已有24位研究成員，分協同控制算法理論研究、水空無人機、陸空無人機、大型無人機、無人車、智能電網巡檢等7個研究方向，帶領博士后、博士生、碩士生共200多人，專業范圍覆蓋機械、自動化、計算機等多個領域。就在前不久，以魯仁全為學科帶頭人的計算機科學與技術新增為一級學科博士學位授權點。
團隊未來要朝哪個方向發展，這是魯仁全必須思考的問題。為此，團隊集體商議后也制定了一些規則，不同方向的每個具體位置都要有自己的規劃。“不可能所有事情都能提前規劃好，問題往往都是在做的過程中發現的，在解決問題中重新開始。”魯仁全說。
文/廣州日報全媒體記者王婧 通訊員盧迪
圖/廣州日報全媒體記者王文宇、黃澤胤
