從最初的軍事偵察“鷹眼”，到如今深入千家萬(wàn)戶(hù)的“空中使者”，無(wú)人機(jī)正在悄然改變著我們的生活。它們穿梭在城市樓宇間投遞包裹，巡視在崇山峻嶺中守護(hù)電網(wǎng)，翱翔在廣袤田野上呵護(hù)莊稼。這場(chǎng)從天空開(kāi)始的技術(shù)革命背后，凝聚著無(wú)數(shù)科研工作者的智慧與汗水。

在推動(dòng)空中機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的科研隊(duì)伍中，浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院高飛教授無(wú)疑是一位杰出的領(lǐng)航者。作為長(zhǎng)聘副教授，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃和集群協(xié)同導(dǎo)航等前沿領(lǐng)域劈波斬浪，讓原本“笨拙”的無(wú)人機(jī)變得靈動(dòng)自如——它們能在疾速飛行中優(yōu)雅地躲避障礙，能像候鳥(niǎo)遷徙般精準(zhǔn)協(xié)同，在密林深谷中自由穿梭，在城市高樓間靈活穿行。作為國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者和杭州市海創(chuàng)未來(lái)項(xiàng)目領(lǐng)軍人才，高飛教授不僅是空中機(jī)器人研究領(lǐng)域的中堅(jiān)力量，更是這個(gè)時(shí)代科技創(chuàng)新精神的生動(dòng)詮釋。在他的眼中，每一架無(wú)人機(jī)都不是冰冷的機(jī)器，而是連接科技與生活的橋梁，是讓人類(lèi)生活更美好的智慧伙伴。

 

無(wú)人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新性突破

讓機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中自如穿梭，就像讓一只機(jī)械鳥(niǎo)在密林中飛翔一樣充滿挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法將無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)模型進(jìn)行軌跡規(guī)劃，在復(fù)雜環(huán)境下存在建模精度低、計(jì)算效率差等問(wèn)題。高飛團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了全狀態(tài)軌跡生成方法，充分考慮無(wú)人機(jī)的完整物理特性，包括機(jī)身尺寸、旋翼配置、姿態(tài)角度等全部狀態(tài)變量。

針對(duì)全狀態(tài)建模帶來(lái)的高維優(yōu)化難題，高飛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了輕量級(jí)軌跡表征算法，通過(guò)時(shí)空能量最優(yōu)的軌跡稀疏參數(shù)化和非線性約束解耦方法，將數(shù)百個(gè)優(yōu)化變量壓縮至數(shù)十個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，在保證軌跡最優(yōu)性的前提下，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算效率10-100倍的提升。在地下隧道高速飛行測(cè)試中，無(wú)人機(jī)能夠以20米/秒的速度穿越僅比機(jī)身寬幾厘米的狹縫，全程自主完成，無(wú)需人工干預(yù)。在特技飛行方面，團(tuán)隊(duì)突破性地解決了軌跡規(guī)劃中的奇異點(diǎn)問(wèn)題，成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)自主連續(xù)特技飛行，包括360度翻滾、垂直俯沖急停、倒飛穿越等高難度動(dòng)作，成功率和連貫性超越專(zhuān)業(yè)飛手。這項(xiàng)研究獲得了國(guó)際學(xué)術(shù)界高度認(rèn)可，為無(wú)人機(jī)在搜救、勘探、物流等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在高速飛行場(chǎng)景下，無(wú)人機(jī)面臨著計(jì)算資源有限、視野受限、環(huán)境快速變化等多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)感知系統(tǒng)在這種條件下往往顧此失彼，難以在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性之間取得平衡。高飛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了三項(xiàng)核心創(chuàng)新。首先是受微眼動(dòng)機(jī)制啟發(fā)的極低延遲動(dòng)態(tài)感知系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了主動(dòng)旋轉(zhuǎn)棱鏡感知模組及相應(yīng)的光學(xué)補(bǔ)償算法，解決了事件相機(jī)在邊緣運(yùn)動(dòng)時(shí)事件信號(hào)消退的技術(shù)難題。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)的高速動(dòng)態(tài)感知，能夠精準(zhǔn)捕獲速度超過(guò)20米/秒的高速目標(biāo)，相比傳統(tǒng)灰度相機(jī)在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景捕獲能力上有質(zhì)的飛躍。與常規(guī)事件相機(jī)相比，該系統(tǒng)顯著提升了場(chǎng)景邊緣信息的信噪比，使高幀率圖像生成和實(shí)時(shí)人體姿態(tài)估計(jì)成為可能。

其次是基于可行空間提取的高效緊湊環(huán)境建模框架。傳統(tǒng)方法構(gòu)建稠密地圖計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)巨大，難以滿足實(shí)時(shí)性要求。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出環(huán)境建模稀疏化方法，僅提取和維護(hù)飛行所需的關(guān)鍵空間信息，大幅降低了計(jì)算和存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，同時(shí)保證了導(dǎo)航的安全性和有效性。

第三項(xiàng)創(chuàng)新是基于動(dòng)態(tài)觀測(cè)建模的主動(dòng)感知增強(qiáng)規(guī)劃方法。受鳥(niǎo)類(lèi)在狹窄空間減速飛行的啟發(fā)，該方法根據(jù)傳感器模型和環(huán)境遮擋情況，主動(dòng)調(diào)整無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、朝向和飛行速度。在障礙物密集區(qū)域自動(dòng)降速以確保安全，在開(kāi)闊區(qū)域則充分發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)。這種自適應(yīng)策略在森林等復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)出色，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速動(dòng)態(tài)目標(biāo)的持續(xù)跟蹤和安全避障。

無(wú)人機(jī)集群在非結(jié)構(gòu)化野外環(huán)境中面臨著部署困難、運(yùn)動(dòng)沖突、計(jì)算資源受限等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有技術(shù)多依賴(lài)外部定位和計(jì)算設(shè)備，嚴(yán)重限制了集群在真實(shí)環(huán)境中的應(yīng)用。

為解決這些核心難題，高飛團(tuán)隊(duì)提出了三大技術(shù)創(chuàng)新。首先是分布式異步解耦架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)可重構(gòu)、功能可拓展的集群系統(tǒng)，每架無(wú)人機(jī)都能獨(dú)立決策并與鄰近機(jī)器實(shí)時(shí)協(xié)同。其次是可拓展多目標(biāo)軌跡優(yōu)化算法，有效解決了高密度飛行時(shí)的路徑?jīng)_突問(wèn)題。第三是軟硬件聯(lián)合優(yōu)化，通過(guò)算法精簡(jiǎn)和硬件集成，成功研發(fā)了重量?jī)H幾百克的微型自主飛行平臺(tái)。

基于這些創(chuàng)新，高飛教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了國(guó)際首個(gè)可在非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景下運(yùn)行的自主飛行集群系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功完成了穿越密集竹林、復(fù)雜編隊(duì)飛行等高難度任務(wù)，分布式集群規(guī)劃規(guī)模已達(dá)1000架。在實(shí)際測(cè)試中，10架無(wú)人機(jī)能夠在茂密竹林中以每秒2-3米的速度協(xié)同飛行，全程無(wú)碰撞、無(wú)失聯(lián)，展現(xiàn)了卓越的魯棒性和協(xié)同能力。

這項(xiàng)成果引起了國(guó)內(nèi)與國(guó)際學(xué)術(shù)界的強(qiáng)烈反響。Science雜志首頁(yè)評(píng)論指出：“穿越密集樹(shù)林對(duì)最智能的無(wú)人機(jī)都充滿挑戰(zhàn)，對(duì)集群則困難上幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但這項(xiàng)研究做到了。”Science Robotics稱(chēng)其“實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首個(gè)可分布式運(yùn)行于非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景的集群系統(tǒng)，為機(jī)器人社區(qū)提供了矚目貢獻(xiàn)，邁出了無(wú)人機(jī)集群走出受限實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的重要一步。”高飛團(tuán)隊(duì)相關(guān)成果被選送參加“奮進(jìn)新時(shí)代”主題成就展和“八八戰(zhàn)略”實(shí)施20周年大型主題展，并被國(guó)家博物館收藏。這些突破不僅推動(dòng)了學(xué)術(shù)前沿，更為應(yīng)急救援、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景提供了全新的技術(shù)方案。

 

用行動(dòng)詮釋科學(xué)家精神

在學(xué)術(shù)研究之外，高飛教授還是一位深受學(xué)生愛(ài)戴的教師。他堅(jiān)持“理論與實(shí)踐并重、創(chuàng)新與應(yīng)用結(jié)合”的教學(xué)理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。他開(kāi)設(shè)的《空中機(jī)器人原理與應(yīng)用》課程，將最前沿的研究成果融入教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生能夠接觸到該領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展。

在他的悉心指導(dǎo)下，多名研究生在國(guó)際頂級(jí)會(huì)議ICRA和IROS上發(fā)表論文，其中有4名學(xué)生獲得最佳論文提名。他還積極推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研合作，鼓勵(lì)學(xué)生參與研發(fā)一線工作，為學(xué)生提供了寶貴的實(shí)踐機(jī)會(huì)，形成“科研-產(chǎn)業(yè)-育人”閉環(huán)。正如他常說(shuō)的：“真正的創(chuàng)新來(lái)源于對(duì)實(shí)際問(wèn)題的深入理解，我們要培養(yǎng)的不僅是會(huì)寫(xiě)論文的研究者，更是能解決實(shí)際問(wèn)題的工程師。”

盡管在國(guó)際學(xué)術(shù)界享有盛譽(yù)，高飛教授始終心系祖國(guó)的科技發(fā)展。他深知，中國(guó)要在人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車(chē)，需要更多本土優(yōu)秀人才的加入。

在學(xué)術(shù)前沿，他主導(dǎo)多項(xiàng)國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，其研發(fā)的智能集群系統(tǒng)在災(zāi)害救援、城市管理等民生領(lǐng)域取得顯著社會(huì)效益；在學(xué)科建設(shè)方面，他發(fā)起自主機(jī)器人技術(shù)研討會(huì)（ARTS），擔(dān)任擔(dān)任多項(xiàng)機(jī)器人國(guó)際權(quán)威期刊會(huì)議編委，持續(xù)提升我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)；在人才培養(yǎng)上，他主持浙江省自動(dòng)化學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)，通過(guò)開(kāi)源課程與技術(shù)視頻（累計(jì)播放量逾450萬(wàn)次）實(shí)現(xiàn)知識(shí)普惠，生動(dòng)詮釋了“科技為民”的學(xué)者本色。

從一個(gè)對(duì)飛行充滿憧憬的少年，到如今站在空中機(jī)器人技術(shù)前沿的科學(xué)家，高飛教授用他的執(zhí)著和創(chuàng)新詮釋科學(xué)家精神。他的研究不僅推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)理論的發(fā)展，更重要的是將這些成果轉(zhuǎn)化為服務(wù)社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的日益豐富，空中機(jī)器人必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。而高飛教授和他的團(tuán)隊(duì)，正在為這個(gè)充滿無(wú)限可能的未來(lái)貢獻(xiàn)著自己的智慧和力量。奮戰(zhàn)在科研的道路上，高飛一直堅(jiān)信，科技創(chuàng)新的最終目的是讓人類(lèi)生活變得更美好，他希望有一天，中國(guó)科學(xué)家研發(fā)的空中機(jī)器人能像今天的智能手機(jī)一樣，成為改善人類(lèi)生活的重要工具。這不僅是他個(gè)人的愿景，也代表著中國(guó)新一代科技工作者的追求與擔(dān)當(dāng)。

（責(zé)編：李茜）