無人機(jī)特技飛行曾是人類飛手的專屬領(lǐng)域，而現(xiàn)在，一臺(tái)普通四旋翼無人機(jī)連穿6道窄門，人類頂尖飛手成功率只有12.5%，而一套創(chuàng)新算法系統(tǒng)卻豪取100%完美通關(guān)！
這項(xiàng)顛覆性研究來自浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院高飛教授團(tuán)隊(duì)，他們放出"算法增強(qiáng)"大招，徹底打破"硬件決定天花板"的傳統(tǒng)認(rèn)知。
高飛團(tuán)隊(duì)通過智能算法實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)自主特技飛行，突破了傳統(tǒng)依賴硬件性能的局限，主要技術(shù)包括：
一“積木式”動(dòng)作生成系統(tǒng)：用戶只需標(biāo)注關(guān)鍵位置和姿態(tài)（如“在此處倒飛”），系統(tǒng)即可自動(dòng)生成連貫的特技軌跡，支持復(fù)雜動(dòng)作的自由組合。
二偏航補(bǔ)償算法：解決了倒飛、空翻等極限動(dòng)作中的失控自轉(zhuǎn)問題，確保飛行穩(wěn)定性。
三意圖修正功能：即使輸入不合理（如動(dòng)作間距過窄），系統(tǒng)仍能自動(dòng)調(diào)整至安全狀態(tài)，提高任務(wù)魯棒性。
有網(wǎng)友直呼："這簡(jiǎn)直是無人機(jī)界的'降維打擊'！用智能算法彌補(bǔ)硬件短板，突破了傳統(tǒng)飛行極限！"
這項(xiàng)名為《Unlocking aerobatic potential of quadcopters: Autonomous freestyle flight generation and execution》的研究成果，于近日正式發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Robotics》上。
▍驚艷全場(chǎng)的三大實(shí)驗(yàn)：算法智能如何擊敗人類極限？
這支研究團(tuán)隊(duì)不僅提出了創(chuàng)新理論，還用三組極限測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)性能，結(jié)果令人震撼：
1. 非結(jié)構(gòu)化超大場(chǎng)景特技飛行
第一個(gè)挑戰(zhàn)是在非結(jié)構(gòu)化的超大室外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)特技飛行——這對(duì)普通無人機(jī)來說幾乎是不可能的任務(wù)。
讓人驚嘆的是，團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)在不依賴外部定位的情況下，實(shí)現(xiàn)了220米的自主飛行，連續(xù)完成了三個(gè)經(jīng)典特技動(dòng)作！
更夸張的是，研究團(tuán)隊(duì)特意將無人機(jī)動(dòng)力限制在普通商用水平（1.5g凈推力和4弧度每秒角速度），系統(tǒng)依然展現(xiàn)出專業(yè)競(jìng)速機(jī)的特技表現(xiàn)。
這一結(jié)果直接證明：智能算法能夠突破物理硬件性能的天花板！
2. 密集障礙環(huán)境下的高難度挑戰(zhàn)
第二組測(cè)試更具挑戰(zhàn)性——在僅3.5米高的狹窄障礙空間里，無人機(jī)要完成一系列高難度動(dòng)作。
結(jié)果，空中機(jī)器人展現(xiàn)了媲美蜂鳥的靈巧性：倒飛穿過直徑80厘米的圓環(huán)、在隧洞中連續(xù)蛇形機(jī)動(dòng)。
系統(tǒng)還擁有獨(dú)創(chuàng)的"意圖修正"功能，即使輸入特技意圖不合理（如多個(gè)特技意圖間距過窄），系統(tǒng)仍能自動(dòng)調(diào)整到安全合理位置。
在多次重復(fù)測(cè)試中，空中機(jī)器人以最高7米/秒的速度穿越障礙時(shí)，仍保持15厘米內(nèi)的跟蹤精度！這種精確度在機(jī)器人領(lǐng)域簡(jiǎn)直是教科書級(jí)別的突破。
在多次重復(fù)測(cè)試中，空中機(jī)器人以最高7米/秒的速度穿越障礙時(shí)，仍保持15厘米內(nèi)的跟蹤精度！這種精確度在機(jī)器人領(lǐng)域簡(jiǎn)直是教科書級(jí)別的突破。
3. 人機(jī)特技對(duì)抗：算法完勝人類飛手
最具看點(diǎn)的是第三組實(shí)驗(yàn)——與國(guó)內(nèi)穿越機(jī)頂尖飛手的同臺(tái)競(jìng)技。
結(jié)果簡(jiǎn)直是碾壓式勝利：
·在連續(xù)穿越6道1.2米窄門的測(cè)試中，人類飛手24次嘗試僅成功3次，成功率慘淡的12.5%
·而系統(tǒng)5次飛行全部成功，完美的100%成功率！
·在定性對(duì)比中，專業(yè)飛手需要更多安全空間才能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，而系統(tǒng)可以在小幾倍區(qū)域內(nèi)完成同樣動(dòng)作。即使選擇飛手最佳飛行效果對(duì)比，其軌跡也不如空中機(jī)器人流暢。
這一結(jié)果無可爭(zhēng)辯地證明：系統(tǒng)在生成和執(zhí)行復(fù)雜特技動(dòng)作的能力，已達(dá)到人類難以企及的水平！
▍超越炫技：從火山監(jiān)測(cè)到深空探測(cè)的無限應(yīng)用
浙大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)突破并非只為了打造酷炫的飛行表演，而是為了解決實(shí)際問題。研究為空中機(jī)器人在極端復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)執(zhí)行提供了全新可能：
火山監(jiān)測(cè)革命：通過動(dòng)態(tài)姿態(tài)調(diào)整與軌跡優(yōu)化，空中機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)噴發(fā)口邊緣的探針拋投部署，為科學(xué)家提供前所未有的一手?jǐn)?shù)據(jù)。
災(zāi)害救援突破：結(jié)合特技飛行的高速穿梭能力，無人機(jī)可能實(shí)現(xiàn)對(duì)坍塌建筑內(nèi)狹窄縫隙的快速探測(cè)，大幅提升救援效率和生命挽救機(jī)會(huì)。
太空探測(cè)應(yīng)用：研究提出的動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃方法可為航天器在太空隕石密集區(qū)的安全機(jī)動(dòng)提供理論參考，通過多自由度姿態(tài)控制降低極端機(jī)動(dòng)對(duì)載人設(shè)備的過載沖擊。
受限空間中的連續(xù)特技動(dòng)作
這種"運(yùn)動(dòng)智能補(bǔ)償硬件短板"的研究思路，為挑戰(zhàn)機(jī)器人性能極限的科研人員提供了全新思考角度。例如，在傳感器視場(chǎng)受限場(chǎng)景中，通過主動(dòng)設(shè)計(jì)包含翻滾等復(fù)合動(dòng)作的軌跡，可最大化數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，從根本上改變環(huán)境感知方式。
它證明，即使在硬件受限情況下，通過算法優(yōu)化同樣能顯著提升系統(tǒng)能力。
▍結(jié)語與展望
浙大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究將帶來的不僅是學(xué)術(shù)價(jià)值，更是實(shí)際應(yīng)用的革新。當(dāng)我們面對(duì)硬件成本高、資源有限的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)時(shí)，優(yōu)化算法或是一條更加經(jīng)濟(jì)高效的突破路徑。特別是在危險(xiǎn)環(huán)境下，這種能在極限條件依然保持穩(wěn)定飛行的無人機(jī)系統(tǒng)，將為人類提供有效的安全保障。
團(tuán)隊(duì)表示未來將進(jìn)一步探索能處理未知和動(dòng)態(tài)環(huán)境的方法，通過構(gòu)建"感知-決策-執(zhí)行"閉環(huán)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)類生物特技飛行的全自主化作業(yè)能力。
可以拭目以待，當(dāng)"算法增強(qiáng)"的魔力遇上中國(guó)速度，無人機(jī)技術(shù)的下一個(gè)十年會(huì)迸發(fā)出怎樣的火花。
文章來源：Ally 機(jī)器人大講堂
論文地址:
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp9905
