探秘清華“間諜行動”大本營
來源：中國科學(xué)報 2013-8-28 原詩萌
一份擬破壞全球安全的機(jī)密計劃書被藏匿于某偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)的一個安全機(jī)構(gòu)中，潛伏特工已經(jīng)偵測到該機(jī)構(gòu)有一個“安全缺口”，計劃用一架小型空中機(jī)器人潛入該機(jī)構(gòu)，竊取相關(guān)機(jī)密信息，阻止恐怖分子的破壞行動……這不是好萊塢某部諜戰(zhàn)片的情節(jié)，而是空中機(jī)器人比賽的真實任務(wù)。
在今年8月舉行的國際空中機(jī)器人大賽中，清華大學(xué)THRONE代表隊的空中機(jī)器人成功潛入，調(diào)換機(jī)密信息的載體——U盤后順利返航，成為4年來7個國家的32支代表隊中唯一一支完成該任務(wù)的隊伍，從而成為繼斯坦福大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、柏林理工大學(xué)、佐治亞理工大學(xué)和麻省理工學(xué)院之后的新一代冠軍隊伍。
近日，記者走進(jìn)THRONE代表隊隊長、清華大學(xué)自動化系博士后李一鵬所在的寬帶網(wǎng)數(shù)字媒體實驗室，探訪他們在這次“間諜行動”中獲勝的秘密。
復(fù)雜的任務(wù)
國際空中機(jī)器人大賽始于1991年，由著名機(jī)器人學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院教授Robert C. Michelson發(fā)起，國際無人系統(tǒng)協(xié)會（AUVSI）贊助和舉辦。迄今為止，大賽已經(jīng)設(shè)立了6代任務(wù)，每一代任務(wù)被完成后，即針對國際前沿的無人機(jī)自主飛行需求制定新一代任務(wù)。隨著空中機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，任務(wù)的難度也在不斷增加。
在接受采訪時，李一鵬向記者展示了THRONE代表隊的比賽視頻。從視頻中看，空中機(jī)器人在完成任務(wù)的過程中，可謂歷經(jīng)了重重的艱難險阻。
首先，“安全缺口”頂部設(shè)有模擬衛(wèi)兵巡邏的指示燈，每隔30秒亮一次。為了避免被“發(fā)現(xiàn)”，空中機(jī)器人起飛之后，要在30秒時間內(nèi)快速通過距離起飛點3米之外、1.3米見方的“安全缺口”。同時，為了不觸發(fā)“安全缺口”內(nèi)設(shè)置的激光絆網(wǎng)，在通過之后，空中機(jī)器人的飛行高度還要始終保持在一米。
接下來，空中機(jī)器人需要遍歷長達(dá)15米的曲折走廊，通過辨識阿拉伯文的房間標(biāo)識，選擇正確的房間進(jìn)入。進(jìn)入房間后，空中機(jī)器人要找到存放U盤的盒子，然后利用機(jī)體下方懸掛的磁鐵吸起U盤，再把用作替換的假U盤放在盒子中。最后，空中機(jī)器人帶著U盤返航，在起飛點降落。
根據(jù)比賽要求，空中機(jī)器人的這一系列動作必須在10分鐘之內(nèi)完成。而且，在整個比賽過程中，空中機(jī)器人完全是自主飛行，不能進(jìn)行任何人工干涉，不準(zhǔn)使用任何的外部輔助定位設(shè)備（如GPS等），其難度可想而知。
最終，清華大學(xué)THRONE代表隊的空中機(jī)器人成功潛入，調(diào)換U盤后順利返航。整個過程只用了8分鐘左右。
勝利背后
“這次能夠勝利完成任務(wù)，源自于清華大學(xué)自動化系教授戴瓊海領(lǐng)導(dǎo)的寬帶網(wǎng)數(shù)字媒體實驗室在立體計算視覺方面深厚的理論積淀。這是我們實驗室自去年獲得國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎之后的又一重大突破。”李一鵬對記者說。
此外，由于空中機(jī)器人自主飛行系統(tǒng)設(shè)計包含的理論問題眾多，李一鵬和他的團(tuán)隊還充分發(fā)揚(yáng)了精誠協(xié)作的精神，并在幾個重要的方面取得了突破，為比賽的勝利奠定了堅實的基礎(chǔ)。
首先是自主定位的精度。要想在完全未知且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中飛行，空中機(jī)器人需要知道自己在整個環(huán)境中的相對位置。這就要求有較高的自主定位精度。據(jù)李一鵬介紹，THRONE代表隊的空中機(jī)器人，其自主定位的精度誤差小于3厘米。
其次是空中機(jī)器人飛行姿態(tài)的控制精度。在知道自己相對位置的同時，還要有較高的控制精度，才能確保空中機(jī)器人正確地飛行。據(jù)了解，THRONE代表隊的空中機(jī)器人在飛行過程中，高度控制的誤差小于2厘米，水平方向的控制誤差也在3厘米范圍之內(nèi)。
正是高精度的自主定位和姿態(tài)控制的完美結(jié)合，空中機(jī)器人才能在盒子上方準(zhǔn)確的高度懸停和轉(zhuǎn)圈，并通過下方懸掛的磁鐵吸起U盤。
同時，團(tuán)隊也考慮到，在遍歷走廊時，如果控制精度較高的話，飛行速度會比較慢。于是，團(tuán)隊設(shè)定了兩套參數(shù)，一套用于遍歷走廊，另一套用于室內(nèi)飛行。當(dāng)空中機(jī)器人進(jìn)入室內(nèi)時，參數(shù)會自動切換。這樣既保證了高效快速地遍歷走廊，又能保證當(dāng)空中機(jī)器人在房間里搜尋盒子和吸取U盤時保持較高的控制精度。
此外，在遍歷走廊及進(jìn)入房間后如何尋找盒子的策略方面，團(tuán)隊也進(jìn)行了諸多努力。“總之，我們要把最復(fù)雜的情況都考慮到。”李一鵬說。
得益于上述技術(shù)的突破，比賽過程中，THRONE代表隊的空中機(jī)器人在第二次飛行時就順利完成了任務(wù)。
第二次飛行結(jié)束后，還發(fā)生了一個插曲。在第二次飛行時，THRONE代表隊的空中機(jī)器人所辨識的第一個房間就是正確的房間，客觀上來說帶有一定的偶然性。為了驗證可重復(fù)性，在第五次飛行時，國際無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會執(zhí)行理事達(dá)爾•大衛(wèi)森先生特意把U盤放在了最遠(yuǎn)房間的套間里，以增加比賽的難度。
“房間是有標(biāo)識的，但房間里面的套間卻沒有任何標(biāo)識，這是整個比賽場景中最難的情況。”李一鵬說。
最終，得益于高精度的自主定位和姿態(tài)控制，以及相對完善的策略，清華大學(xué)的無人機(jī)在遍歷了整個走廊、排除了兩個錯誤的房間后，進(jìn)入正確的房間，并在該房間的套間里成功竊取并替換了U盤。
“當(dāng)看到空中機(jī)器人帶著U盤返航時，我們都非常激動，因為這次飛行充分證明了我們的實力！達(dá)爾•大衛(wèi)森先生也在第一時間向我們表達(dá)了熱烈的祝賀。”回想起當(dāng)時的一幕，李一鵬自豪的神情溢于言表。
應(yīng)用前景廣闊
從國際空中機(jī)器人大賽的六代任務(wù)來看，大都指向具體的應(yīng)用場景。這也從某種程度上體現(xiàn)出空中機(jī)器人應(yīng)用前景的廣闊。
比如，第二代任務(wù)模擬了一個核生化廢棄物現(xiàn)場。場內(nèi)凌亂擺放了5個半埋的廢料桶。空中機(jī)器人需要搜索該區(qū)域，根據(jù)桶上的標(biāo)識識別桶內(nèi)物品，并取回一個標(biāo)識。
第四代任務(wù)則構(gòu)思了三個極為豐富的故事性場景——救援人質(zhì)、核電廠搶險和古墓奪寶。
李一鵬告訴記者，空中機(jī)器人還可以在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。比如當(dāng)?shù)V井發(fā)生事故時，可以通過空中機(jī)器人進(jìn)行三維圖像建模，了解礦井內(nèi)情況以便施救。另外，當(dāng)發(fā)生瓦斯或有毒物質(zhì)泄漏時，可以利用空中機(jī)器人勘察現(xiàn)場，并通過搭載相應(yīng)的傳感器進(jìn)行物質(zhì)檢測。
“相信隨著傳感器硬件和立體計算視覺技術(shù)的發(fā)展和完善，空中機(jī)器人的‘眼睛’會越來越‘明亮’，‘頭腦’也會越來越‘聰明’，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中將會發(fā)揮不可替代的作用。”李一鵬說。
