一场没有硝烟的战争

记威尼斯9499登录入口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威尼斯9499登录入口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、一展雄风的威尼斯9499登录入口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，向世界展示威尼斯9499登录入口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。这也是威尼斯9499登录入口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