一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)
記清華大學(xué)代表隊(duì)獲國(guó)際空中機(jī)器人大賽（亞太賽區(qū)）最佳系統(tǒng)控制獎(jiǎng)
研通社記者 潘 璇
時(shí)間：2012年8月7日
地點(diǎn)：北京航空航天大學(xué)體育館——2012國(guó)際空中機(jī)器人大賽（IARC2012）亞太賽區(qū)
事件：控制自主研發(fā)的空中機(jī)器人完成以“防恐”為目的的自主飛行任務(wù)
圖為團(tuán)隊(duì)合影。
這是當(dāng)日首次站在國(guó)際空中機(jī)器人大賽亞太賽區(qū)的清華大學(xué)THRONE戰(zhàn)隊(duì)16名清華學(xué)子頭腦中唯一的內(nèi)容。
雖然大家都信心滿(mǎn)滿(mǎn)，不過(guò)，隊(duì)長(zhǎng)自動(dòng)化系博士后李一鵬的神情卻略顯凝重。
“現(xiàn)場(chǎng)比賽的復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室模擬的情形。”
圖為清華THRONE戰(zhàn)隊(duì)的飛行器通過(guò)“窗口”。
四周沒(méi)有木板隔擋的房間入口（一個(gè)小窗戶(hù)）、長(zhǎng)達(dá)30米的走廊、偏薄易晃的木板墻壁、多個(gè)2.4米×2.4米×2.4米的小房間單元，以及身邊的人頭攢動(dòng)，這樣的場(chǎng)面多少有一些超出預(yù)想。
比賽的具體要求是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的完全自主飛行，即在無(wú)任何人工干預(yù)的情況下，無(wú)人機(jī)進(jìn)入完全陌生的環(huán)境，通過(guò)房間入口，沿走廊飛行并進(jìn)入目標(biāo)房間，取走存有軍事機(jī)密資料的“目標(biāo)U盤(pán)”，在原位置放置假U盤(pán)，最后原路返回。整個(gè)過(guò)程不準(zhǔn)使用包括GPS等在內(nèi)的外部定位設(shè)備，完全依靠機(jī)載傳感器進(jìn)行自主定位、導(dǎo)航和控制。
“沒(méi)關(guān)系，我們戰(zhàn)隊(duì)一定是最棒的。”雖然有些忐忑，李一鵬還是給自己和隊(duì)友們打氣，簡(jiǎn)單準(zhǔn)備后，隊(duì)員們?nèi)雸?chǎng)了。
盡管現(xiàn)場(chǎng)攝像頭無(wú)線(xiàn)傳輸圖像對(duì)飛行器自主飛行造成了極大的干擾，但THRONE戰(zhàn)隊(duì)的飛行器在兩次出場(chǎng)中，均順利通過(guò)窗戶(hù)進(jìn)入走廊，并沿其平穩(wěn)行進(jìn)了約1/3的路程。雖然成績(jī)?cè)谒袘?zhàn)隊(duì)中最佳，但是任務(wù)目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到。
下午兩點(diǎn)，在結(jié)束了當(dāng)天的比賽之后，隊(duì)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(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)15小時(shí)的程序修改工作。
實(shí)驗(yàn)室里，鍵盤(pán)聲此起彼伏。
通過(guò)討論，大家一致認(rèn)為，雖然原有路徑規(guī)劃模塊本身不存在問(wèn)題，但比賽過(guò)程中飛行器所能探測(cè)到的環(huán)境信息不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致該模塊無(wú)法復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室飛行時(shí)的效果，因此當(dāng)務(wù)之急就是提高該模塊的魯棒性（即對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性）。由于初期系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(gè)模塊）都進(jìn)行了很好的解耦，為了節(jié)約時(shí)間，李一鵬決定采用分時(shí)調(diào)試的辦法，即將所有隊(duì)員分成3組，一組負(fù)責(zé)調(diào)試最基本的飛行控制穩(wěn)定性，一組負(fù)責(zé)改進(jìn)原有路徑規(guī)劃算法,還有一組負(fù)責(zé)著手開(kāi)發(fā)新的路徑規(guī)劃算法作為備選方案。
最后一次測(cè)試完，同學(xué)們和衣而臥。
從下午2點(diǎn)到第二天凌晨5點(diǎn)，伴隨著螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)的聲音，實(shí)驗(yàn)室里的鍵盤(pán)敲擊聲此起彼伏。初步程序完成后，為測(cè)試算法的基本可行性，隊(duì)員們對(duì)飛行器進(jìn)行了模擬飛行測(cè)試，即打開(kāi)飛機(jī)電源，手推飛行器行進(jìn)，將飛行器飛行過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，再傳輸?shù)诫娔X上進(jìn)行分析和仿真。之后，通過(guò)觀察實(shí)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(shí)，已是早上7點(diǎn)了。馬不停蹄地收拾完行裝，早上8點(diǎn)整，所有隊(duì)員又整齊地出現(xiàn)在了賽場(chǎng)上。
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草草吃過(guò)飯，奔赴“戰(zhàn)場(chǎng)”。
雖然首日比賽沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，但同學(xué)們還是相信一晚的堅(jiān)守一定會(huì)有成效，不過(guò)上天卻先開(kāi)了一個(gè)小小的玩笑。
為保險(xiǎn)起見(jiàn)，隊(duì)員們選擇首先運(yùn)行改進(jìn)程序。只見(jiàn)飛行器慢慢地攀升，可是怎么越來(lái)越慢，越來(lái)越慢，最后竟撞到窗戶(hù)下沿，直接墜落了！改進(jìn)的程序竟然導(dǎo)致結(jié)果變差了！大家心里頓時(shí)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(huì)吸收超聲波，導(dǎo)致反饋信息不準(zhǔn)確。那為什么昨天沒(méi)有出現(xiàn)該問(wèn)題？
傳感器！所有人腦中閃現(xiàn)：換傳感器！不到幾分鐘的時(shí)間，新的傳感器被組裝好了。
緊急解決問(wèn)題。
由于上一輪的失利，現(xiàn)在只剩最后一次機(jī)會(huì)了，大家心里忐忑不安。
“開(kāi)始！”，裁判一聲令下。
所有人屏住呼吸，注視著飛行器。它啟動(dòng)了，穩(wěn)穩(wěn)地攀升并向前飛行，漸漸地離入口窗戶(hù)越來(lái)越近，越來(lái)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(shí)現(xiàn)這一任務(wù)有多么困難！若不是算法精度極高，長(zhǎng)時(shí)間的懸停將導(dǎo)致飛行器明顯偏離原位置點(diǎn)，從而撞墻墜落。而我們的飛行器僅僅是微微抖動(dòng)了一下，便輕松地進(jìn)入了房間。在這漫長(zhǎng)的等待后，大家的心也稍稍平靜了一些。
但隨著飛行器進(jìn)入走廊，大家頓時(shí)又緊張了起來(lái)，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(jìn)一米，大家心里的寬慰就多一分。眼看著飛行器飛過(guò)了走廊的1/2，幾近到達(dá)盡頭，并找到了一個(gè)可能裝U盤(pán)的房間，可是遺憾的是，由于程序的適應(yīng)性依舊沒(méi)有達(dá)到最佳水平，它沒(méi)能成功地進(jìn)入房間實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的搜尋。而在美國(guó)賽區(qū)，情況同樣并不樂(lè)觀，所有參賽隊(duì)也無(wú)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(wú)人機(jī)。
最終，清華戰(zhàn)隊(duì)的無(wú)人飛行器以系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性（尤其是實(shí)現(xiàn)了在場(chǎng)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(duì)無(wú)一實(shí)現(xiàn)該功能），贏得了“最佳系統(tǒng)控制獎(jiǎng)”，同時(shí)，獲得了總成績(jī)國(guó)際第四名的好成績(jī)。
比賽結(jié)束了，當(dāng)然，同學(xué)們收獲的不僅僅是獎(jiǎng)項(xiàng)，還有誠(chéng)摯的友情、滿(mǎn)滿(mǎn)的經(jīng)驗(yàn)和最真實(shí)的感悟。
國(guó)際空中機(jī)器人大賽（以下簡(jiǎn)稱(chēng)IARC）于1990年由國(guó)際無(wú)人機(jī)協(xié)會(huì)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(kāi)始加大難度，改為室內(nèi)環(huán)境，而今年進(jìn)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(dòng)化系戴瓊海教授研究團(tuán)隊(duì)的成員，他的研究方向正是無(wú)人機(jī)可視導(dǎo)航。去年，在查閱國(guó)外文獻(xiàn)時(shí)他偶然發(fā)現(xiàn)了IARC，但當(dāng)時(shí)該賽事僅設(shè)北美賽區(qū)且報(bào)名時(shí)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(rèn)為這是一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)。在戴瓊海老師的倡導(dǎo)和鼓勵(lì)下，他聯(lián)系了其他3名自動(dòng)化系的碩士生組成了4人核心戰(zhàn)隊(duì)，并通過(guò)大量宣傳，從“天空工廠(chǎng)”社團(tuán)、精儀系、材料系以及自動(dòng)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(duì)，昂首出征。
圖為隊(duì)員們進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)。
由于組建時(shí)間晚（賽前3個(gè)月左右）加之首次參賽，戰(zhàn)隊(duì)的賽前準(zhǔn)備工作并不輕松。無(wú)人飛行器飛行控制分為兩個(gè)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(jī)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(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自主定位、路徑規(guī)劃等操作，就國(guó)際趨勢(shì)而言，后者更為重要。為了節(jié)約時(shí)間并最大限度發(fā)揮“清華工科男的優(yōu)勢(shì)”，戰(zhàn)隊(duì)在從德國(guó)公司購(gòu)買(mǎi)了飛機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、機(jī)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(jì)，重點(diǎn)是程序的編寫(xiě)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(gè)板塊，16位“戰(zhàn)隊(duì)”隊(duì)員在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域傾心工作，來(lái)自自動(dòng)化系的碩士生王玉旺、蘆維寧和大四學(xué)生張奕烜分別負(fù)責(zé)未知環(huán)境的SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）實(shí)現(xiàn)、路徑規(guī)劃和飛行器姿態(tài)控制，精儀系的博士生嚴(yán)斌埋頭于U盤(pán)抓取的設(shè)計(jì)，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(jī)械工程學(xué)院的李成林協(xié)助進(jìn)行路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)……
各模塊之間既相互獨(dú)立又定期交流，經(jīng)過(guò)大家的共同努力和奮戰(zhàn)，清華戰(zhàn)隊(duì)的無(wú)人飛行器華麗地出現(xiàn)在IARC亞太賽區(qū)的賽場(chǎng)上。
回顧整個(gè)參賽過(guò)程，李一鵬坦言，最大的感動(dòng)是戰(zhàn)隊(duì)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作。每當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)，沒(méi)有相互埋怨，有的只是團(tuán)聚在一起、相互出謀劃策。在建隊(duì)時(shí)，李一鵬曾說(shuō)：“我希望團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人不僅對(duì)自己負(fù)責(zé)的模塊了如指掌，對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)也要胸有成竹，我們的隊(duì)員應(yīng)該既是專(zhuān)業(yè)人員也是統(tǒng)籌人員。”
隊(duì)員們顯然做到了這一點(diǎn)。
就拿比賽時(shí)的不利來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有對(duì)局部和整體的深入理解，怎么可能在緊張的賽場(chǎng)上迅速準(zhǔn)確地找出問(wèn)題，又怎么可能利用短短十多個(gè)小時(shí)就并編寫(xiě)出兩套不同的方案？有人說(shuō)，清華的學(xué)子天資聰穎，但李一鵬認(rèn)為，更閃耀的是大家相互支持、相互鼓勵(lì)、眾志成城、勇攀高峰、凝聚在一起的一顆心。
其實(shí)，對(duì)李一鵬而言，參賽的目的遠(yuǎn)不限于獲獎(jiǎng)。
IARC 2012年第6代任務(wù)尚未完成，2013年仍將繼續(xù)。除了滿(mǎn)載的比賽經(jīng)驗(yàn)，李一鵬希望以此為契機(jī)，向世界展示清華大學(xué)無(wú)人機(jī)子母無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同等自主導(dǎo)航的研究成果，逐步在未來(lái)科學(xué)研究及比賽中引領(lǐng)無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航的研究方向。這也是清華大學(xué)THRONE無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。
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(guó)家做出貢獻(xiàn)。”他們的精神令我們感動(dòng)，在這個(gè)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)場(chǎng)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(huì)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
