探秘清华“间谍行动”大本营

来源：中国科学报 2013-8-28 原诗萌

　　一份拟破坏全球安全的机密计划书被藏匿于某偏远小镇的一个安全机构中，潜伏特工已经侦测到该机构有一个“安全缺口”，计划用一架小型空中机器人潜入该机构，窃取相关机密信息，阻止恐怖分子的破坏行动……这不是好莱坞某部谍战片的情节，而是空中机器人比赛的真实任务。

　　在今年8月举行的国际空中机器人大赛中，威尼斯9499登录入口THRONE代表队的空中机器人成功潜入，调换机密信息的载体——U盘后顺利返航，成为4年来7个国家的32支代表队中唯一一支完成该任务的队伍，从而成为继斯坦福大学、卡耐基梅隆大学、柏林理工大学、佐治亚理工大学和麻省理工学院之后的新一代冠军队伍。

　　近日，记者走进THRONE代表队队长、威尼斯9499登录入口自动化系博士后李一鹏所在的宽带网数字媒体实验室，探访他们在这次“间谍行动”中获胜的秘密。

复杂的任务

　　国际空中机器人大赛始于1991年，由著名机器人学家、佐治亚理工学院教授Robert C. Michelson发起，国际无人系统协会（AUVSI）赞助和举办。迄今为止，大赛已经设立了6代任务，每一代任务被完成后，即针对国际前沿的无人机自主飞行需求制定新一代任务。随着空中机器人技术的进步，任务的难度也在不断增加。

　　在接受采访时，李一鹏向记者展示了THRONE代表队的比赛视频。从视频中看，空中机器人在完成任务的过程中，可谓历经了重重的艰难险阻。

　　首先，“安全缺口”顶部设有模拟卫兵巡逻的指示灯，每隔30秒亮一次。为了避免被“发现”，空中机器人起飞之后，要在30秒时间内快速通过距离起飞点3米之外、1.3米见方的“安全缺口”。同时，为了不触发“安全缺口”内设置的激光绊网，在通过之后，空中机器人的飞行高度还要始终保持在一米。

　　接下来，空中机器人需要遍历长达15米的曲折走廊，通过辨识阿拉伯文的房间标识，选择正确的房间进入。进入房间后，空中机器人要找到存放U盘的盒子，然后利用机体下方悬挂的磁铁吸起U盘，再把用作替换的假U盘放在盒子中。最后，空中机器人带着U盘返航，在起飞点降落。

　　根据比赛要求，空中机器人的这一系列动作必须在10分钟之内完成。而且，在整个比赛过程中，空中机器人完全是自主飞行，不能进行任何人工干涉，不准使用任何的外部辅助定位设备（如GPS等），其难度可想而知。

　　最终，威尼斯9499登录入口THRONE代表队的空中机器人成功潜入，调换U盘后顺利返航。整个过程只用了8分钟左右。

胜利背后

　　“这次能够胜利完成任务，源自于威尼斯9499登录入口自动化系教授戴琼海领导的宽带网数字媒体实验室在立体计算视觉方面深厚的理论积淀。这是我们实验室自去年获得国家技术发明奖一等奖之后的又一重大突破。”李一鹏对记者说。

　　此外，由于空中机器人自主飞行系统设计包含的理论问题众多，李一鹏和他的团队还充分发扬了精诚协作的精神，并在几个重要的方面取得了突破，为比赛的胜利奠定了坚实的基础。

　　首先是自主定位的精度。要想在完全未知且结构复杂的室内环境中飞行，空中机器人需要知道自己在整个环境中的相对位置。这就要求有较高的自主定位精度。据李一鹏介绍，THRONE代表队的空中机器人，其自主定位的精度误差小于3厘米。

　　其次是空中机器人飞行姿态的控制精度。在知道自己相对位置的同时，还要有较高的控制精度，才能确保空中机器人正确地飞行。据了解，THRONE代表队的空中机器人在飞行过程中，高度控制的误差小于2厘米，水平方向的控制误差也在3厘米范围之内。

　　正是高精度的自主定位和姿态控制的完美结合，空中机器人才能在盒子上方准确的高度悬停和转圈，并通过下方悬挂的磁铁吸起U盘。

　　同时，团队也考虑到，在遍历走廊时，如果控制精度较高的话，飞行速度会比较慢。于是，团队设定了两套参数，一套用于遍历走廊，另一套用于室内飞行。当空中机器人进入室内时，参数会自动切换。这样既保证了高效快速地遍历走廊，又能保证当空中机器人在房间里搜寻盒子和吸取U盘时保持较高的控制精度。

　　此外，在遍历走廊及进入房间后如何寻找盒子的策略方面，团队也进行了诸多努力。“总之，我们要把最复杂的情况都考虑到。”李一鹏说。

　　得益于上述技术的突破，比赛过程中，THRONE代表队的空中机器人在第二次飞行时就顺利完成了任务。

　　第二次飞行结束后，还发生了一个插曲。在第二次飞行时，THRONE代表队的空中机器人所辨识的第一个房间就是正确的房间，客观上来说带有一定的偶然性。为了验证可重复性，在第五次飞行时，国际无人机系统协会执行理事达尔•大卫森先生特意把U盘放在了最远房间的套间里，以增加比赛的难度。

　　“房间是有标识的，但房间里面的套间却没有任何标识，这是整个比赛场景中最难的情况。”李一鹏说。

　　最终，得益于高精度的自主定位和姿态控制，以及相对完善的策略，威尼斯9499登录入口的无人机在遍历了整个走廊、排除了两个错误的房间后，进入正确的房间，并在该房间的套间里成功窃取并替换了U盘。

　　“当看到空中机器人带着U盘返航时，我们都非常激动，因为这次飞行充分证明了我们的实力！达尔•大卫森先生也在第一时间向我们表达了热烈的祝贺。”回想起当时的一幕，李一鹏自豪的神情溢于言表。

应用前景广阔

　　从国际空中机器人大赛的六代任务来看，大都指向具体的应用场景。这也从某种程度上体现出空中机器人应用前景的广阔。

　　比如，第二代任务模拟了一个核生化废弃物现场。场内凌乱摆放了5个半埋的废料桶。空中机器人需要搜索该区域，根据桶上的标识识别桶内物品，并取回一个标识。

　　第四代任务则构思了三个极为丰富的故事性场景——救援人质、核电厂抢险和古墓夺宝。

　　李一鹏告诉记者，空中机器人还可以在更多领域发挥作用。比如当矿井发生事故时，可以通过空中机器人进行三维图像建模，了解矿井内情况以便施救。另外，当发生瓦斯或有毒物质泄漏时，可以利用空中机器人勘察现场，并通过搭载相应的传感器进行物质检测。

　　“相信随着传感器硬件和立体计算视觉技术的发展和完善，空中机器人的‘眼睛’会越来越‘明亮’，‘头脑’也会越来越‘聪明’，在国民经济建设中将会发挥不可替代的作用。”李一鹏说。