•  最新新闻列表
  •  
 首页 > 综合新闻 > 内容

一场没有硝烟的战争

记清华大学代表队获国际空中机器人大赛(亚太赛区)最佳系统控制奖

研通社记者 潘 璇

  时间:2012年8月7日

  地点:北京航空航天大学体育馆——2012国际空中机器人大赛(IARC2012)亚太赛区

     事件:控制自主研发的空中机器人完成以“防恐”为目的的自主飞行任务

图为团队合影。

  这是当日首次站在国际空中机器人大赛亚太赛区的清华大学THRONE战队16名清华学子头脑中唯一的内容。

  虽然大家都信心满满,不过,队长自动化系博士后李一鹏的神情却略显凝重。

  “现场比赛的复杂程度远大于实验室模拟的情形。”

图为清华THRONE战队的飞行器通过“窗口”。

  四周没有木板隔挡的房间入口(一个小窗户)、长达30米的走廊、偏薄易晃的木板墙壁、多个2.4米×2.4米×2.4米的小房间单元,以及身边的人头攒动,这样的场面多少有一些超出预想。

  比赛的具体要求是实现无人机的完全自主飞行,即在无任何人工干预的情况下,无人机进入完全陌生的环境,通过房间入口,沿走廊飞行并进入目标房间,取走存有军事机密资料的“目标U盘”,在原位置放置假U盘,最后原路返回。整个过程不准使用包括GPS等在内的外部定位设备,完全依靠机载传感器进行自主定位、导航和控制。

  “没关系,我们战队一定是最棒的。”虽然有些忐忑,李一鹏还是给自己和队友们打气,简单准备后,队员们入场了。

  尽管现场摄像头无线传输图像对飞行器自主飞行造成了极大的干扰,但THRONE战队的飞行器在两次出场中,均顺利通过窗户进入走廊,并沿其平稳行进了约1/3的路程。虽然成绩在所有战队中最佳,但是任务目标还远远没有达到。

  下午两点,在结束了当天的比赛之后,队员们急匆匆地返回学校,为了使飞行器能够出色地完成比赛任务,大家开始了长达15小时的程序修改工作。

 

实验室里,键盘声此起彼伏。

  通过讨论,大家一致认为,虽然原有路径规划模块本身不存在问题,但比赛过程中飞行器所能探测到的环境信息不稳定,从而导致该模块无法复现实验室飞行时的效果,因此当务之急就是提高该模块的鲁棒性(即对环境的适应性)。由于初期系统设计时对各模块功能(底层通信、三维建模、路径规划和飞行器控制4个模块)都进行了很好的解耦,为了节约时间,李一鹏决定采用分时调试的办法,即将所有队员分成3组,一组负责调试最基本的飞行控制稳定性,一组负责改进原有路径规划算法,还有一组负责着手开发新的路径规划算法作为备选方案。

最后一次测试完,同学们和衣而卧。

        从下午2点到第二天凌晨5点,伴随着螺旋桨高速旋转的声音,实验室里的键盘敲击声此起彼伏。初步程序完成后,为测试算法的基本可行性,队员们对飞行器进行了模拟飞行测试,即打开飞机电源,手推飞行器行进,将飞行器飞行过程中采集的数据记录下来,再传输到电脑上进行分析和仿真。之后,通过观察实际飞行状态再修改参数,如此反复。

  在完成了最后一次调试并得到较好的结果时,已是早上7点了。马不停蹄地收拾完行装,早上8点整,所有队员又整齐地出现在了赛场上。

 

草草吃过饭,奔赴“战场”。

  虽然首日比赛没有达到预期效果,但同学们还是相信一晚的坚守一定会有成效,不过上天却先开了一个小小的玩笑。

  为保险起见,队员们选择首先运行改进程序。只见飞行器慢慢地攀升,可是怎么越来越慢,越来越慢,最后竟撞到窗户下沿,直接坠落了!改进的程序竟然导致结果变差了!大家心里顿时紧张,手心冒汗,看看飞行器坠落的地方,在地毯上。

  地毯?超声波?地毯会吸收超声波,导致反馈信息不准确。那为什么昨天没有出现该问题?

  传感器!所有人脑中闪现:换传感器!不到几分钟的时间,新的传感器被组装好了。

紧急解决问题。

  由于上一轮的失利,现在只剩最后一次机会了,大家心里忐忑不安。

  “开始!”,裁判一声令下。

  所有人屏住呼吸,注视着飞行器。它启动了,稳稳地攀升并向前飞行,渐渐地离入口窗户越来越近,越来越近。到了!

完美的悬停。

  它在入口处悬停住,一分钟、两分钟、三分钟、四分钟、五分钟!飞行器悬停了五分钟!要知道实现这一任务有多么困难!若不是算法精度极高,长时间的悬停将导致飞行器明显偏离原位置点,从而撞墙坠落。而我们的飞行器仅仅是微微抖动了一下,便轻松地进入了房间。在这漫长的等待后,大家的心也稍稍平静了一些。

  但随着飞行器进入走廊,大家顿时又紧张了起来,心里默念着“继续,继续,接着飞,不要停,继续”。飞行器似乎感受到了大家的期待,带着大家的信念缓缓地向前飞行。它每向前飞进一米,大家心里的宽慰就多一分。眼看着飞行器飞过了走廊的1/2,几近到达尽头,并找到了一个可能装U盘的房间,可是遗憾的是,由于程序的适应性依旧没有达到最佳水平,它没能成功地进入房间实现进一步的搜寻。而在美国赛区,情况同样并不乐观,所有参赛队也无一完成任务。

清华THRONE小组核心成员(左二为李一鹏)和他们的无人机。

  最终,清华战队的无人飞行器以系统控制的稳定性(尤其是实现了在场景内不借助任何外部定位设备悬停5分钟,其他战队无一实现该功能),赢得了“最佳系统控制奖”,同时,获得了总成绩国际第四名的好成绩。

  比赛结束了,当然,同学们收获的不仅仅是奖项,还有诚挚的友情、满满的经验和最真实的感悟。

  国际空中机器人大赛(以下简称IARC)于1990年由国际无人机协会举办,迄今为止已完成5代任务。每次任务都有特定的背景,第1到4代的任务都是注重于室外自主飞行(可以借助GPS等定位设备),从第5代开始加大难度,改为室内环境,而今年进行的第6代任务更是提出了完全自主飞行的要求。

  “我们就是喜欢挑战自我。”李一鹏坦言道。

  作为自动化系戴琼海教授研究团队的成员,他的研究方向正是无人机可视导航。去年,在查阅国外文献时他偶然发现了IARC,但当时该赛事仅设北美赛区且报名时间已截止,而今年新设立了亚太赛区且是在北航举办,李一鹏认为这是一个绝佳的机会。在戴琼海老师的倡导和鼓励下,他联系了其他3名自动化系的硕士生组成了4人核心战队,并通过大量宣传,从“天空工厂”社团、精仪系、材料系以及自动化系又招募到了12名同学,最后组建了寓意清华学子在大赛中摘得桂冠、一展雄风的清华大学THRONE( THRONE由THU和DRONE组合合成,本身有王冠之意)战队,昂首出征。

图为队员们进行程序的设计和编写。

  由于组建时间晚(赛前3个月左右)加之首次参赛,战队的赛前准备工作并不轻松。无人飞行器飞行控制分为两个层次:底层控制系统和高层控制系统。其中,前者主要用于控制飞机的飞行稳定性,保证其俯仰、横滚和偏航的控制精度;后者则偏向于对飞机飞行过程的控制,实现飞机的自主定位、路径规划等操作,就国际趋势而言,后者更为重要。为了节约时间并最大限度发挥“清华工科男的优势”,战队在从德国公司购买了飞机基础系统、传感器系统、机载电脑和其他底层控制系统配件的基础上,将全部精力用于高层控制系统的设计,重点是程序的编写与调试。

  为了提高工作效率,李一鹏将任务分为底层通信、三维建模、路径规划和飞行器控制4个板块,16位“战队”队员在各自擅长的领域倾心工作,来自自动化系的硕士生王玉旺、芦维宁和大四学生张奕烜分别负责未知环境的SLAM(同步定位与地图构建)实现、路径规划和飞行器姿态控制,精仪系的博士生严斌埋头于U盘抓取的设计,材料学院的大四学生于洋在飞行器参数调制方面提出了不少建议,机械工程学院的李成林协助进行路径规划算法实现……

  各模块之间既相互独立又定期交流,经过大家的共同努力和奋战,清华战队的无人飞行器华丽地出现在IARC亚太赛区的赛场上。

  回顾整个参赛过程,李一鹏坦言,最大的感动是战队的团队协作。每当问题出现,没有相互埋怨,有的只是团聚在一起、相互出谋划策。在建队时,李一鹏曾说:“我希望团队中的每个人不仅对自己负责的模块了如指掌,对系统的整体设计也要胸有成竹,我们的队员应该既是专业人员也是统筹人员。”

  队员们显然做到了这一点。

  就拿比赛时的不利来说,如果没有对局部和整体的深入理解,怎么可能在紧张的赛场上迅速准确地找出问题,又怎么可能利用短短十多个小时就并编写出两套不同的方案?有人说,清华的学子天资聪颖,但李一鹏认为,更闪耀的是大家相互支持、相互鼓励、众志成城、勇攀高峰、凝聚在一起的一颗心。

  其实,对李一鹏而言,参赛的目的远不限于获奖。

  IARC 2012年第6代任务尚未完成,2013年仍将继续。除了满载的比赛经验,李一鹏希望以此为契机,向世界展示清华大学无人机子母无人机系统、无人机编队协同等自主导航的研究成果,逐步在未来科学研究及比赛中引领无人机自主导航的研究方向。这也是清华大学THRONE无人机团队的长远目标。

  与世界接轨、引领世界科技潮流,“作为清华学子,我们有责任为学校、为国家做出贡献。”他们的精神令我们感动,在这个没有硝烟的战场上,他们挥洒着自己的青春和智慧。就像他们的logo—THRONE所展现的,总有一天,他们会站在科学之巅,骄傲地戴上属于他们自己的耀眼王冠。

编辑:范 丽

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2012-11-19 15:03:09]
[阅读:人次]
相关新闻
  • 网友评议