清華無人機(jī)，飛出世界NO.1
——記2013國際空中機(jī)器人大賽冠軍THRONE團(tuán)隊(duì)
記者 程曦
現(xiàn)場直擊
2013年8月4日下午2點(diǎn)半，清華大學(xué)綜合體育館，2013國際空中機(jī)器人大賽（亞太賽區(qū)）比賽現(xiàn)場。全部比賽接近尾聲，只剩下清華THRONE代表隊(duì)即將進(jìn)行因靜態(tài)展示獲最高分而贏得的一次額外試飛。
人們在清華THRONE代表隊(duì)的地面站和比賽區(qū)域外“自動集結(jié)”，里三層外三層圍得水泄不通。前一天的比賽中，清華的空中機(jī)器人（又稱“無人機(jī)”）一鳴驚人，僅用8分鐘時(shí)間就率先完成了全球7個(gè)國家32支代表隊(duì)連續(xù)4年都沒能挑戰(zhàn)成功的任務(wù)。這是偶然嗎？
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攝影 譚樹龍 制圖 陳琳
入口指示燈滅，警報(bào)暫時(shí)解除，無人機(jī)穩(wěn)穩(wěn)地從窗口潛入“安全機(jī)構(gòu)”，在走廊與房間中自如轉(zhuǎn)向、穿行。排除一個(gè)又一個(gè)房間，來到走廊盡頭——這似乎正是它要尋找的目標(biāo)房間，可它在屋里盤旋了幾周，場外的人們還是沒有在大屏幕上看到無人機(jī)的“獵物”——一張放有U盤的桌子。正在這時(shí)，地面站屏幕顯示房間內(nèi)側(cè)出現(xiàn)一個(gè)新的豁口，無人機(jī)就像長了眼睛一樣，“義無反顧”地扎了進(jìn)去。原來是個(gè)套間，桌子果然在這里！人們發(fā)出一陣贊嘆的驚呼。
很可惜，時(shí)間已經(jīng)不夠用了，但大家還是屏息凝神期待著THRONE無人機(jī)的進(jìn)一步表現(xiàn)。慢慢飛到桌子上的盒子的正上方，下降，旋轉(zhuǎn)，重新拔起，墜下自帶的假U盤，準(zhǔn)備離開。它鉤住目標(biāo)U盤了嗎？飛行器腳架底部的“爪子”終于出現(xiàn)在監(jiān)控?cái)z像頭中，磁鐵上牢牢吸附著目標(biāo)U盤！
超時(shí)，能源耗盡。但最終結(jié)果已經(jīng)不重要了，關(guān)鍵是清華的無人機(jī)連續(xù)兩次漂亮地做到了比賽對手們難以企及的事！一直在現(xiàn)場觀戰(zhàn)、并且親手把U盤放到套間里以升級比賽難度的國際無人系統(tǒng)協(xié)會基金會執(zhí)行主任達(dá)里爾·戴維森要來話筒，第一時(shí)間表達(dá)祝賀：“清華的隊(duì)員們一次又一次做到了賽前大家認(rèn)為可能無法完成的事，這是非凡的成績，給人留下了極為深刻的印象。”
3天后，北美賽區(qū)戰(zhàn)況揭曉，包括密歇根大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等在內(nèi)的“業(yè)內(nèi)高手”無一完成任務(wù)。清華大學(xué)THRONE代表隊(duì)成為全球惟一一支挑戰(zhàn)成功的“任務(wù)終結(jié)者”，獨(dú)享累積了4年的4萬美元獎金。
這已經(jīng)是一個(gè)足夠輝煌的戰(zhàn)績。但是很多人不知道，就在8月3日晚上，清華的無人機(jī)在調(diào)試中意外摔落，傳感器硬件出現(xiàn)問題，隊(duì)員們不得不采取了較為保守的搜索策略。如果沒有這次意外，他們原本打算啟用的“瘋狂版”策略按計(jì)劃登場，那么無論U盤被放置在多么隱蔽的地方，無人機(jī)都能在5分鐘內(nèi)飛到裝有U盤的盒子上方！
僅僅第二次參賽，他們就以無可爭議的表現(xiàn)，向世人展示了無人機(jī)領(lǐng)域的“清華速度”、“清華水平”。
引子 與頂尖高手同場競技
2010年，自動化系戴瓊海教授作為首席科學(xué)家開始主持國家973計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜條件下飛行器進(jìn)近可視導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論研究”。此前，戴瓊海帶領(lǐng)的寬帶網(wǎng)數(shù)字媒體實(shí)驗(yàn)室在立體視覺及計(jì)算攝像學(xué)方面取得了重要進(jìn)展，并希望借助已有研究成果進(jìn)一步在飛行器視覺導(dǎo)航方面有所建樹。2011年，戴瓊海安排研究生王玉旺進(jìn)行無人機(jī)方面的調(diào)研，了解相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展情況，國際空中機(jī)器人大賽就這樣走入了他們的視野。
國際空中機(jī)器人大賽（International Aerial Robotics Competition，IARC）始創(chuàng)于1991年，由著名機(jī)器人學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院教授羅伯特·米切爾森發(fā)起，由國際無人系統(tǒng)協(xié)會（Association for Unmanned Vehicle Systems International，AUVSI）舉辦并贊助。美國斯坦福大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院和德國柏林理工大學(xué)等世界一流名校都曾是比賽的贏家。比賽最突出的特點(diǎn)就是需要空中機(jī)器人在無人干預(yù)的情況下自主完成任務(wù)。比賽歷經(jīng)六代任務(wù)，每代任務(wù)都設(shè)計(jì)了富有想象力的背景（如災(zāi)難現(xiàn)場搜救、核電廠搶險(xiǎn)、古墓奪寶等），具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性和趣味性，任務(wù)完成后就進(jìn)入下一代任務(wù)。第1~4代任務(wù)注重室外自主飛行（可以借助GPS等定位設(shè)備），從第5代開始加大難度，改為室內(nèi)環(huán)境并且不能依賴任何外部定位設(shè)備的輔助，自2010年開始的第6代任務(wù)更是在完全自主飛行的基礎(chǔ)上提出與環(huán)境交互的要求。要想順利完成任務(wù)，參賽隊(duì)的小型自主飛行器必須在10分鐘內(nèi)完成秘密潛入、搜索房間、尋找并調(diào)換U盤以及秘密撤退的全過程，難度非常大。
這項(xiàng)在無人機(jī)視覺導(dǎo)航領(lǐng)域與國際高手過招的比賽很快引起了自動化系師生的興趣。2012年，恰逢大賽首次在中國設(shè)立亞太賽區(qū)，以自動 化系學(xué)生為主體，清華正式組隊(duì)參賽。因?yàn)闀r(shí)間緊、難度大，加上比賽主要考察的是各參賽隊(duì)無人機(jī)的高層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以團(tuán)隊(duì)從德國公司購買了飛行器基礎(chǔ)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、機(jī)載電腦和其他底層控制系統(tǒng)配件，在戴瓊海的指導(dǎo)和自動化系博士后李一鵬的帶領(lǐng)下，用不到3個(gè)月的時(shí)間完成了通信架構(gòu)、未知環(huán)境自主建模與定位、路徑規(guī)劃和飛行器控制4個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作，為比賽作好了準(zhǔn)備。
實(shí)際比賽的結(jié)果卻不盡如人意。由于缺乏比賽經(jīng)驗(yàn)，對比賽場景的復(fù)雜程度估計(jì)不足而暴露了大量程序設(shè)計(jì)上的漏洞，最后清華的無人機(jī)雖然順利進(jìn)入窗口，但只是在走廊里探尋了一番便返航了，沒有開展下一步的搜索行動。盡管首次參賽便獲得亞太賽區(qū)第二、全球第四的較好成績，但隊(duì)員們自己并不滿意，憋了一股勁兒要在今年的主場比賽中為清華無人機(jī)“正名”。
亮點(diǎn) 每一步都考慮最復(fù)雜情況
在現(xiàn)場看比賽的觀眾都會有一個(gè)感覺：清華的無人機(jī)是最智能的。當(dāng)大多數(shù)隊(duì)伍還在努力控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)、為越過激光絆網(wǎng)進(jìn)入窗口而努力時(shí)，清華的無人機(jī)總能穩(wěn)健而敏捷地直直“潛入”，在走廊里全速前進(jìn)；到了正確的門牌號前，它的識別迅速精準(zhǔn)；而當(dāng)來到目標(biāo)U盤上空時(shí)，它又不急不躁，調(diào)整到最佳姿態(tài)和高度，一抓一放，順利“以假亂真”。
過程的完美，是用不放過任何細(xì)節(jié)的準(zhǔn)備換來的。在比賽任務(wù)涉及的每一個(gè)環(huán)節(jié)，隊(duì)員們都盡最大可能設(shè)計(jì)最魯棒的程序和最高效的策略。這次比賽中，另一支強(qiáng)隊(duì)和清華擁有同一公司生產(chǎn)的無人機(jī)，效果卻差了很多。兩隊(duì)交流時(shí)他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，清華隊(duì)員編寫的代碼共約20000行，是他們的20倍！
陳琳 圖
去年的比賽經(jīng)歷讓清華隊(duì)員們對“細(xì)節(jié)決定成敗”有了更深層次的認(rèn)識，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的瑕疵都會導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)的失敗。高精度的室內(nèi)未知環(huán)境自主定位、高效快速的路徑規(guī)劃策略可以保證系統(tǒng)戰(zhàn)略層次的整體性，正確識別目標(biāo)房間和放在桌子上盛有U盤的盒子則是戰(zhàn)術(shù)層次上的細(xì)節(jié)，而這一切又都構(gòu)建在精準(zhǔn)的飛行器姿態(tài)控制框架上。
完全未知且復(fù)雜的室內(nèi)比賽環(huán)境，對無人機(jī)的自主定位是很大的考驗(yàn)。因?yàn)楸荣愡^程中不準(zhǔn)使用GPS等外部定位設(shè)備，飛行器每前進(jìn)一步，都必須依靠自己的“眼睛”——機(jī)載傳感器進(jìn)行自主定位。隊(duì)長王玉旺充分考慮了飛行器高動態(tài)對激光束環(huán)境掃描結(jié)果的影響，合理選取建模數(shù)據(jù)并構(gòu)建了完備的自主定位框架。同時(shí)，利用平面鏡反射激光束來測量飛行高度，這樣就能通過二維掃描實(shí)現(xiàn)高度測量和定位，最終使無人機(jī)室內(nèi)自定位精度達(dá)到厘米級別。
在路徑規(guī)劃方面，系統(tǒng)智能性的提升更為明顯。去年比賽中飛行器采用的是單一的“沿墻走”算法，就像進(jìn)入迷宮或黑夜里的人，只能摸著墻走，才能保證不重復(fù)、不走丟，但探索效率太低。今年李一鵬和自動化系研究生蘆維寧共同設(shè)計(jì)出“以未知區(qū)域?yàn)轵?qū)動”的主動探索策略，充分發(fā)揮了飛行器“眼睛”的作用，在保證環(huán)境搜索遍歷性的同時(shí)大大提高了搜索效率。
同為自動化系大四畢業(yè)生的閆偉和施澤南分別負(fù)責(zé)“找門”和“找盒子”。閆偉的程序足以排除形狀相似的假門，不需要消耗時(shí)間排查可疑對象，直接就能把它帶到正確的門前；施澤南則跳出一般隊(duì)伍先找桌子、再找盒子的窠臼，利用激光掃描捕捉房間內(nèi)明顯異常的輪廓，然后根據(jù)線條形狀、角度、長度等特征驗(yàn)證它與盒子的匹配程度，很快就能直接把盒子“拎出來”。
還有一個(gè)讓隊(duì)員們頗感自豪的巧妙設(shè)計(jì)就是“切參數(shù)”。針對無人機(jī)飛得快就不穩(wěn)、飛得穩(wěn)就不快的特點(diǎn)，自動化系本科畢業(yè)生羅濬維為底層飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩套參數(shù)、兩種模式：在空蕩蕩的走廊里采用“暴走模式”，步長達(dá)到80厘米甚至1米，最大限度地提高探索效率；而在房間內(nèi)尋找盒子和抓取U盤時(shí)，為了保證命中率，則要切換到“定點(diǎn)模式”，穩(wěn)扎穩(wěn)打。
為了確保整個(gè)策略的魯棒性，隊(duì)員們搭建了一個(gè)“自黑”的環(huán)境，本著“盡可能讓飛機(jī)出問題”的原則，制造各種極端情況來刁難自己，再一一加以解決。施澤南自信地說：“別說套間，就是里面再套一個(gè)房間，我們的無人機(jī)也能把它找出來。房間里的復(fù)雜程度只是延長了它的工作時(shí)間，并不會影響我們算法的整體性。”
團(tuán)隊(duì) “推”飛機(jī)推出的世界第一
清華的團(tuán)隊(duì)力量在這次比賽中給人留下了深刻印象。賽后的頒獎晚宴上，大賽裁判委員會主任、北京航空航天大學(xué)教授陳宗基指出，清華THRONE團(tuán)隊(duì)今年之所以取得這么好的成績，一個(gè)很重要的原因就是特別注重隊(duì)伍傳承。
本屆比賽清華的參賽隊(duì)伍由來自自動化系和錢學(xué)森力學(xué)班的15人組成，包括博士后3人、碩士生4人、本科生8人。除了指導(dǎo)教師李一鵬和王玉旺、蘆維寧、羅濬維、張奕烜、楊盛等5名核心隊(duì)員繼續(xù)留隊(duì)，今年的參賽隊(duì)伍中有很多新生力量。去年的老隊(duì)員因?yàn)楫厴I(yè)等原因沒能繼續(xù)參賽的，只要有需要還會隨時(shí)提供幫助，并且介紹得力的同學(xué)或師弟師妹加盟。
兩年來，清華知名度很高的學(xué)生科技團(tuán)體“天空工場” 和未來機(jī)器人興趣團(tuán)隊(duì)等都為THRONE團(tuán)隊(duì)提供了人力物力支持。來自未來機(jī)器人興趣團(tuán)隊(duì)的自動化系大二學(xué)生李修雖然年輕，卻是隊(duì)員們眼里的“硬件百事通”，他那個(gè)大大的工具箱里裝滿了其他同學(xué)看來非常神秘的工具，不管多么千奇百怪難以搞定的硬件問題，到他手里基本都有解決辦法。
高中時(shí)曾在全國青少年信息學(xué)奧林匹克競賽中獲得佳績的自動化系大一學(xué)生張洵愷有種能用“類似計(jì)算機(jī)運(yùn)行的方式”思考問題的絕技，做了很多系統(tǒng)算法的優(yōu)化工作，包括為室內(nèi)探索的策略寫了兩個(gè)很重要的函數(shù)；主動請纓加入團(tuán)隊(duì)的錢學(xué)森力學(xué)班大一學(xué)生何長耕雖然在技術(shù)上暫時(shí)還不能幫到學(xué)長們太多，但他積極參與討論，并承擔(dān)了緊張備戰(zhàn)過程中大部分的“體力活”，邊干邊學(xué)。
這支隊(duì)伍里的每位隊(duì)員都有自己的過人之處，更難得的是，他們懂得怎樣把力量凝聚在一起，在最短的時(shí)間里共同取得最大的進(jìn)步。
集中備戰(zhàn)的兩個(gè)月里，隊(duì)員們回宿舍睡覺的時(shí)間越來越晚，到最后干脆就在實(shí)驗(yàn)室用泡沫塑料板打地鋪。比賽前的兩三周，各個(gè)模塊都要用惟一的一架飛機(jī)進(jìn)行調(diào)試，大家就分成白班夜班輪流工作，平均每人每天至少工作十七八個(gè)小時(shí)。
為了充分驗(yàn)證遍歷走廊、尋找房間、搜索U盤以及安全退出等策略的完備性，確保最終能夠完成任務(wù)，同時(shí)為了提高實(shí)驗(yàn)效率，清華無人機(jī)大量的程序調(diào)試都是通過“推”而不是“飛”來完成的。李一鵬介紹說，曾經(jīng)有整整一周的時(shí)間，白天他跟隊(duì)員們編寫核心代碼并進(jìn)行飛行測試，晚上再帶著蘆維寧、何長耕在主樓8層長長的走廊里推飛機(jī)。他們半蹲在地上，把飛機(jī)放在小車上，用雙手推行以模擬各種飛行狀態(tài)。前進(jìn)40厘米、左轉(zhuǎn)30度、后退10厘米……往往一推就推到天亮，這才感覺到腰部酸疼難忍。一個(gè)星期的推飛機(jī)實(shí)驗(yàn)，為比賽中成功完成任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
THRONE飛行器上那個(gè)抓取U盤的精巧裝置，也是臨近比賽時(shí)大家“頭腦風(fēng)暴”的結(jié)晶。操作手李修在去年的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)了機(jī)械吊臂的設(shè)計(jì)，之后又設(shè)計(jì)了一個(gè)懸掛磁鐵并利用下視攝像頭的裝置，但機(jī)械臂過硬，而線又過軟，效果并不理想。最后，大家把目光落在了平時(shí)經(jīng)常隨手?jǐn)[弄的小工具——尼龍?jiān)鷰稀Ｔ谕跤裢膭?chuàng)意基礎(chǔ)上，隊(duì)員們花了一天的時(shí)間進(jìn)行詳盡的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)很多問題并最終確定了扎帶軟爪的磁鐵數(shù)量、長度、懸掛位置，以及飛機(jī)在盒子上方定位位置、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)等一系列參數(shù)。之后的每次實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)十有八九都能吸到U盤，這才造就了比賽中似乎“信手拈來”的效果。
兩個(gè)月的時(shí)間里，有苦也有樂。他們每個(gè)人都做過摔飛機(jī)的噩夢，也曾一起為把飛機(jī)總重量控制在比賽要求的1500克以內(nèi)，賽前最后一晚瘋狂地扒膠帶、卸外殼、換螺絲。眼看飛機(jī)越來越“本色”也越來越輕盈，伴隨著汗水涌出的，還有濃濃的成就感。
8月3日下午，當(dāng)凝聚了他們無數(shù)心血的小小四旋翼飛機(jī)從“安全機(jī)構(gòu)”里帶著U盤輕巧飛出時(shí)，隊(duì)員們把李一鵬高高拋到了空中。那一刻，這個(gè)永遠(yuǎn)在早上負(fù)責(zé)叫醒隊(duì)員、從來也沒有人看到他什么時(shí)候入睡的粗獷的東北小伙兒感到了心中說不出的酸甜苦辣。
展望 為無人機(jī)裝上高科技的“智慧之眼”
談到比賽帶來的收獲，王玉旺和施澤南有一個(gè)共同感受，就是終于真正理解了“自動化”這個(gè)專業(yè)的含義。它不僅僅是自動控制，也不是同學(xué)間打趣時(shí)說的“比電子軟一點(diǎn)，比計(jì)算機(jī)硬一點(diǎn)”。為了這次比賽，他們分工合作，完成了底層通信、未知環(huán)境自主建模與定位、路徑規(guī)劃和飛行器控制等軟件模塊，親手加裝改造一些硬件設(shè)備，把一架“裸機(jī)”改造成“慎思層制定策略、算法層實(shí)現(xiàn)策略、控制層貫徹策略”的智能飛行系統(tǒng)，收獲的不僅是成就感，更是對這整個(gè)體系的深刻理解與融會貫通。
成績并沒有蒙蔽隊(duì)員們的雙眼，他們清醒地認(rèn)識到，對實(shí)際應(yīng)用而言，這架飛機(jī)還是太簡單了。未來的研究工作中，他們希望能進(jìn)一步解決基礎(chǔ)核心問題，實(shí)現(xiàn)真正的三維環(huán)境重建和更智能的目標(biāo)識別。
戴瓊海曾經(jīng)在課堂上提出一個(gè)設(shè)想：“能不能有這么一架無人機(jī)，從7樓實(shí)驗(yàn)室穿過人群和樓梯等各種障礙物，為在4樓上課的我端來一杯水？”這個(gè)對人類來說輕而易舉的任務(wù)，要想由空中機(jī)器人來完成，需要做的事還很多。
一個(gè)以視覺研究為主的實(shí)驗(yàn)室，為什么對無人機(jī)的課題這么感興趣？李一鵬介紹說，戴瓊海領(lǐng)導(dǎo)的寬帶網(wǎng)數(shù)字媒體實(shí)驗(yàn)室在立體視覺、計(jì)算視覺等方面擁有雄厚的理論積淀，無人機(jī)視覺導(dǎo)航則是這些理論成果的重要應(yīng)用方向之一。“現(xiàn)在無人機(jī)研究的前沿方向不再是底層的飛行控制系統(tǒng)，而是上層的傳感器載荷。豐富的傳感器及精準(zhǔn)的處理算法就是無人機(jī)的高科技‘眼睛’。有了這雙‘智慧之眼’，無人機(jī)才能真正成為一個(gè)智能飛行系統(tǒng)，在未來的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮不可替代的作用。”
比賽已經(jīng)結(jié)束，而夢想終將升華。在未來的日子里，THRONE團(tuán)隊(duì)希望能設(shè)計(jì)出更加精巧復(fù)雜的智能飛行系統(tǒng)和集群，具備室外自然環(huán)境自主定位與導(dǎo)航功能，并能夠?qū)崟r(shí)重建大型建筑物的三維模型。“目前，國際上相關(guān)領(lǐng)域最出色的高校也只能做到離線建模。若能實(shí)現(xiàn)廣闊自然場景中的自主環(huán)境感知和實(shí)時(shí)三維建模，那將是非常前沿的科技成果。”對這樣的前景，李一鵬充滿信心。
來源：新清華 2013-08-30
