一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭
記清華大學(xué)代表隊獲國際空中機器人大賽（亞太賽區(qū)）最佳系統(tǒng)控制獎
研通社記者 潘 璇
時間：2012年8月7日
地點：北京航空航天大學(xué)體育館——2012國際空中機器人大賽（IARC2012）亞太賽區(qū)
事件：控制自主研發(fā)的空中機器人完成以“防恐”為目的的自主飛行任務(wù)
圖為團隊合影。
這是當(dāng)日首次站在國際空中機器人大賽亞太賽區(qū)的清華大學(xué)THRONE戰(zhàn)隊16名清華學(xué)子頭腦中唯一的內(nèi)容。
雖然大家都信心滿滿，不過，隊長自動化系博士后李一鵬的神情卻略顯凝重。
“現(xiàn)場比賽的復(fù)雜程度遠大于實驗室模擬的情形。”
圖為清華THRONE戰(zhàn)隊的飛行器通過“窗口”。
四周沒有木板隔擋的房間入口（一個小窗戶）、長達30米的走廊、偏薄易晃的木板墻壁、多個2.4米×2.4米×2.4米的小房間單元，以及身邊的人頭攢動，這樣的場面多少有一些超出預(yù)想。
比賽的具體要求是實現(xiàn)無人機的完全自主飛行，即在無任何人工干預(yù)的情況下，無人機進入完全陌生的環(huán)境，通過房間入口，沿走廊飛行并進入目標房間，取走存有軍事機密資料的“目標U盤”，在原位置放置假U盤，最后原路返回。整個過程不準使用包括GPS等在內(nèi)的外部定位設(shè)備，完全依靠機載傳感器進行自主定位、導(dǎo)航和控制。
“沒關(guān)系，我們戰(zhàn)隊一定是最棒的。”雖然有些忐忑，李一鵬還是給自己和隊友們打氣，簡單準備后，隊員們?nèi)雸隽恕?/p>
盡管現(xiàn)場攝像頭無線傳輸圖像對飛行器自主飛行造成了極大的干擾，但THRONE戰(zhàn)隊的飛行器在兩次出場中，均順利通過窗戶進入走廊，并沿其平穩(wěn)行進了約1/3的路程。雖然成績在所有戰(zhàn)隊中最佳，但是任務(wù)目標還遠遠沒有達到。
下午兩點，在結(jié)束了當(dāng)天的比賽之后，隊員們急匆匆地返回學(xué)校，為了使飛行器能夠出色地完成比賽任務(wù)，大家開始了長達15小時的程序修改工作。
實驗室里，鍵盤聲此起彼伏。
通過討論，大家一致認為，雖然原有路徑規(guī)劃模塊本身不存在問題，但比賽過程中飛行器所能探測到的環(huán)境信息不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致該模塊無法復(fù)現(xiàn)實驗室飛行時的效果，因此當(dāng)務(wù)之急就是提高該模塊的魯棒性（即對環(huán)境的適應(yīng)性）。由于初期系統(tǒng)設(shè)計時對各模塊功能（底層通信、三維建模、路徑規(guī)劃和飛行器控制4個模塊）都進行了很好的解耦，為了節(jié)約時間，李一鵬決定采用分時調(diào)試的辦法，即將所有隊員分成3組，一組負責(zé)調(diào)試最基本的飛行控制穩(wěn)定性，一組負責(zé)改進原有路徑規(guī)劃算法,還有一組負責(zé)著手開發(fā)新的路徑規(guī)劃算法作為備選方案。
最后一次測試完，同學(xué)們和衣而臥。
從下午2點到第二天凌晨5點，伴隨著螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)的聲音，實驗室里的鍵盤敲擊聲此起彼伏。初步程序完成后，為測試算法的基本可行性，隊員們對飛行器進行了模擬飛行測試，即打開飛機電源，手推飛行器行進，將飛行器飛行過程中采集的數(shù)據(jù)記錄下來，再傳輸?shù)诫娔X上進行分析和仿真。之后，通過觀察實際飛行狀態(tài)再修改參數(shù)，如此反復(fù)。
在完成了最后一次調(diào)試并得到較好的結(jié)果時，已是早上7點了。馬不停蹄地收拾完行裝，早上8點整，所有隊員又整齊地出現(xiàn)在了賽場上。
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草草吃過飯，奔赴“戰(zhàn)場”。
雖然首日比賽沒有達到預(yù)期效果，但同學(xué)們還是相信一晚的堅守一定會有成效，不過上天卻先開了一個小小的玩笑。
為保險起見，隊員們選擇首先運行改進程序。只見飛行器慢慢地攀升，可是怎么越來越慢，越來越慢，最后竟撞到窗戶下沿，直接墜落了！改進的程序竟然導(dǎo)致結(jié)果變差了！大家心里頓時緊張，手心冒汗，看看飛行器墜落的地方，在地毯上。
地毯？超聲波？地毯會吸收超聲波，導(dǎo)致反饋信息不準確。那為什么昨天沒有出現(xiàn)該問題？
傳感器！所有人腦中閃現(xiàn)：換傳感器！不到幾分鐘的時間，新的傳感器被組裝好了。
緊急解決問題。
由于上一輪的失利，現(xiàn)在只剩最后一次機會了，大家心里忐忑不安。
“開始！”，裁判一聲令下。
所有人屏住呼吸，注視著飛行器。它啟動了，穩(wěn)穩(wěn)地攀升并向前飛行，漸漸地離入口窗戶越來越近，越來越近。到了！
完美的懸停。
它在入口處懸停住，一分鐘、兩分鐘、三分鐘、四分鐘、五分鐘！飛行器懸停了五分鐘！要知道實現(xiàn)這一任務(wù)有多么困難！若不是算法精度極高，長時間的懸停將導(dǎo)致飛行器明顯偏離原位置點，從而撞墻墜落。而我們的飛行器僅僅是微微抖動了一下，便輕松地進入了房間。在這漫長的等待后，大家的心也稍稍平靜了一些。
但隨著飛行器進入走廊，大家頓時又緊張了起來，心里默念著“繼續(xù)，繼續(xù)，接著飛，不要停，繼續(xù)”。飛行器似乎感受到了大家的期待，帶著大家的信念緩緩地向前飛行。它每向前飛進一米，大家心里的寬慰就多一分。眼看著飛行器飛過了走廊的1/2，幾近到達盡頭，并找到了一個可能裝U盤的房間，可是遺憾的是，由于程序的適應(yīng)性依舊沒有達到最佳水平，它沒能成功地進入房間實現(xiàn)進一步的搜尋。而在美國賽區(qū)，情況同樣并不樂觀，所有參賽隊也無一完成任務(wù)。
清華THRONE小組核心成員（左二為李一鵬）和他們的無人機。
最終，清華戰(zhàn)隊的無人飛行器以系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性（尤其是實現(xiàn)了在場景內(nèi)不借助任何外部定位設(shè)備懸停5分鐘，其他戰(zhàn)隊無一實現(xiàn)該功能），贏得了“最佳系統(tǒng)控制獎”，同時，獲得了總成績國際第四名的好成績。
比賽結(jié)束了，當(dāng)然，同學(xué)們收獲的不僅僅是獎項，還有誠摯的友情、滿滿的經(jīng)驗和最真實的感悟。
國際空中機器人大賽（以下簡稱IARC）于1990年由國際無人機協(xié)會舉辦，迄今為止已完成5代任務(wù)。每次任務(wù)都有特定的背景，第1到4代的任務(wù)都是注重于室外自主飛行（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，而今年進行的第6代任務(wù)更是提出了完全自主飛行的要求。
“我們就是喜歡挑戰(zhàn)自我。”李一鵬坦言道。
作為自動化系戴瓊海教授研究團隊的成員，他的研究方向正是無人機可視導(dǎo)航。去年，在查閱國外文獻時他偶然發(fā)現(xiàn)了IARC，但當(dāng)時該賽事僅設(shè)北美賽區(qū)且報名時間已截止，而今年新設(shè)立了亞太賽區(qū)且是在北航舉辦，李一鵬認為這是一個絕佳的機會。在戴瓊海老師的倡導(dǎo)和鼓勵下，他聯(lián)系了其他3名自動化系的碩士生組成了4人核心戰(zhàn)隊，并通過大量宣傳，從“天空工廠”社團、精儀系、材料系以及自動化系又招募到了12名同學(xué)，最后組建了寓意清華學(xué)子在大賽中摘得桂冠、一展雄風(fēng)的清華大學(xué)THRONE（ THRONE由THU和DRONE組合合成，本身有王冠之意）戰(zhàn)隊，昂首出征。
圖為隊員們進行程序的設(shè)計和編寫。
由于組建時間晚（賽前3個月左右）加之首次參賽，戰(zhàn)隊的賽前準備工作并不輕松。無人飛行器飛行控制分為兩個層次：底層控制系統(tǒng)和高層控制系統(tǒng)。其中，前者主要用于控制飛機的飛行穩(wěn)定性，保證其俯仰、橫滾和偏航的控制精度；后者則偏向于對飛機飛行過程的控制，實現(xiàn)飛機的自主定位、路徑規(guī)劃等操作，就國際趨勢而言，后者更為重要。為了節(jié)約時間并最大限度發(fā)揮“清華工科男的優(yōu)勢”，戰(zhàn)隊在從德國公司購買了飛機基礎(chǔ)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、機載電腦和其他底層控制系統(tǒng)配件的基礎(chǔ)上，將全部精力用于高層控制系統(tǒng)的設(shè)計，重點是程序的編寫與調(diào)試。
為了提高工作效率，李一鵬將任務(wù)分為底層通信、三維建模、路徑規(guī)劃和飛行器控制4個板塊，16位“戰(zhàn)隊”隊員在各自擅長的領(lǐng)域傾心工作，來自自動化系的碩士生王玉旺、蘆維寧和大四學(xué)生張奕烜分別負責(zé)未知環(huán)境的SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）實現(xiàn)、路徑規(guī)劃和飛行器姿態(tài)控制，精儀系的博士生嚴斌埋頭于U盤抓取的設(shè)計，材料學(xué)院的大四學(xué)生于洋在飛行器參數(shù)調(diào)制方面提出了不少建議，機械工程學(xué)院的李成林協(xié)助進行路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)……
各模塊之間既相互獨立又定期交流，經(jīng)過大家的共同努力和奮戰(zhàn)，清華戰(zhàn)隊的無人飛行器華麗地出現(xiàn)在IARC亞太賽區(qū)的賽場上。
回顧整個參賽過程，李一鵬坦言，最大的感動是戰(zhàn)隊的團隊協(xié)作。每當(dāng)問題出現(xiàn)，沒有相互埋怨，有的只是團聚在一起、相互出謀劃策。在建隊時，李一鵬曾說：“我希望團隊中的每個人不僅對自己負責(zé)的模塊了如指掌，對系統(tǒng)的整體設(shè)計也要胸有成竹，我們的隊員應(yīng)該既是專業(yè)人員也是統(tǒng)籌人員。”
隊員們顯然做到了這一點。
就拿比賽時的不利來說，如果沒有對局部和整體的深入理解，怎么可能在緊張的賽場上迅速準確地找出問題，又怎么可能利用短短十多個小時就并編寫出兩套不同的方案？有人說，清華的學(xué)子天資聰穎，但李一鵬認為，更閃耀的是大家相互支持、相互鼓勵、眾志成城、勇攀高峰、凝聚在一起的一顆心。
其實，對李一鵬而言，參賽的目的遠不限于獲獎。
IARC 2012年第6代任務(wù)尚未完成，2013年仍將繼續(xù)。除了滿載的比賽經(jīng)驗，李一鵬希望以此為契機，向世界展示清華大學(xué)無人機子母無人機系統(tǒng)、無人機編隊協(xié)同等自主導(dǎo)航的研究成果，逐步在未來科學(xué)研究及比賽中引領(lǐng)無人機自主導(dǎo)航的研究方向。這也是清華大學(xué)THRONE無人機團隊的長遠目標。
與世界接軌、引領(lǐng)世界科技潮流，“作為清華學(xué)子，我們有責(zé)任為學(xué)校、為國家做出貢獻。”他們的精神令我們感動，在這個沒有硝煙的戰(zhàn)場上，他們揮灑著自己的青春和智慧。就像他們的logo—THRONE所展現(xiàn)的，總有一天，他們會站在科學(xué)之巔，驕傲地戴上屬于他們自己的耀眼王冠。
編輯：范 麗
