戴瓊海團(tuán)隊(duì)：為飛翔器裝上“智慧之眼” /編號(hào):QB197R9

　　2013年8月3日下戰(zhàn)書，當(dāng)THRONE團(tuán)隊(duì)的四旋翼飛行器穩(wěn)穩(wěn)下降在目標(biāo)地點(diǎn)時(shí)，國(guó)際無(wú)人系統(tǒng)協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)Davidson先生發(fā)布，清華大學(xué)THRONE團(tuán)隊(duì)完成了第六代任務(wù)。3天后北美賽區(qū)戰(zhàn)況揭曉，包括密歇根大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等在內(nèi)的“業(yè)內(nèi)高手”無(wú)一完成任務(wù)。清華大學(xué)THRONE代表隊(duì)成為寰球唯逐一支挑戰(zhàn)成功的“任務(wù)終結(jié)者”，成為當(dāng)之無(wú)愧的第六代冠軍。

——記清華大學(xué)戴瓊海教授團(tuán)隊(duì)

　　抱著“戰(zhàn)勝驗(yàn)證艱苦，另尋適合平臺(tái)”的主意，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了普遍的調(diào)研。在充分懂得相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顟B(tài)之后，團(tuán)隊(duì)選定四旋翼小型飛行器作為基礎(chǔ)系統(tǒng)，搭載激光測(cè)距機(jī)、可見(jiàn)光攝像頭、超聲波傳感器以及機(jī)載處置器等裝備，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完全的可視導(dǎo)航驗(yàn)證系統(tǒng)。在調(diào)研的進(jìn)程中，國(guó)際空中機(jī)器人大賽走入了他們的視線。

　　走進(jìn)位于清華大學(xué)主樓8層一間一般的試驗(yàn)室，映入眼簾的是多架小型四旋翼無(wú)人機(jī)一字排開，桌子上堆滿了各種各樣的傳感器、機(jī)架和整機(jī)。同學(xué)們?cè)诰徍偷恼{(diào)試飛行器的自主定位性能。螺旋槳啟動(dòng)，人們霎時(shí)被韻律感極強(qiáng)的馬達(dá)聲包抄，小小的飛行器在高矮不同的阻礙物之間穩(wěn)穩(wěn)的飛行著。

　　國(guó)際空中機(jī)器人大賽（International Aerial Robotics Competition，IARC）始創(chuàng)于1991年，由國(guó)際無(wú)人系統(tǒng)協(xié)會(huì)（Association for Unmanned Vehicle Systems International，AUVSI）舉辦并援助,房地產(chǎn)培訓(xùn)，通過(guò)設(shè)置特定任務(wù)目標(biāo)展示無(wú)人機(jī)可視導(dǎo)航的最新成果。每代任務(wù)絕對(duì)獨(dú)立，完成之落后入下一代，至今已完成5代任務(wù)。開賽20多年以來(lái)，有來(lái)自世界10多個(gè)國(guó)家的60余所高校代表隊(duì)參賽。斯坦福大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、佐治亞理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)等世界一流名校都曾是比賽的贏家。第6代任務(wù)于2010年宣布，要求無(wú)人機(jī)從室外窗口進(jìn)入室內(nèi)未知環(huán)境，探索走廊并進(jìn)入目標(biāo)房間，搜查并拾取任務(wù)標(biāo)的物——存有重要材料的U盤，放置替代U盤撤退出。整個(gè)過(guò)程要求無(wú)人機(jī)完整自主飛行，不準(zhǔn)任何人工干涉和應(yīng)用包含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)行自主定位和可視導(dǎo)航。

■人物檔案

　　這就是清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海教授率領(lǐng)的THRONE團(tuán)隊(duì)。近5年來(lái)，他們?cè)趪?guó)家973項(xiàng)目標(biāo)支持下，開展了全天時(shí)全天候復(fù)雜條件下飛行器可視導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論研究。在復(fù)雜飛行環(huán)境的多維信息采集及稀疏特征提取、高精度時(shí)空配準(zhǔn)和高精度飛行環(huán)境重建等方面獲得了重大的理論突破。在完全未知的飛行場(chǎng)景中，飛行器的自主定位精度達(dá)到厘米級(jí)別，可以實(shí)時(shí)構(gòu)建飛行環(huán)境的三維模型，真正做到了自主避障、自主跟蹤和自主著陸，為飛行器裝上了高科技的“智慧之眼”。

搭建驗(yàn)證系統(tǒng) 國(guó)際賽場(chǎng)鋒芒畢露

　　遺憾的是，可視導(dǎo)航的多項(xiàng)核心技術(shù)一直被國(guó)外周密封閉，海內(nèi)相干研究仍處于起步階段，缺少對(duì)飛行器可視導(dǎo)航基本迷信問(wèn)題的系統(tǒng)深刻研究。面對(duì)這樣嚴(yán)格的事實(shí)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)充足調(diào)研和剖析，終極認(rèn)定從三個(gè)方面突破癥結(jié)的核心技術(shù)：

起源：科技日?qǐng)?bào) 2014 *** 3 *** 14 常樂(lè)

　　自從美國(guó)的萊特兄弟在1903年制作出第一架依靠本身能源進(jìn)行載人飛行的飛機(jī)“飛行者”1號(hào)并失掉試飛勝利后，飛機(jī)日益成為現(xiàn)代文化不可缺乏的交通工具，它深入地影響和轉(zhuǎn)變著人們的生涯。然而，全天時(shí)全天候的飛行需乞降復(fù)雜多變的氣象、電磁等惡劣的外部條件，重大要挾著飛行器的飛行安全。復(fù)雜條件下飛行器的安全飛行和進(jìn)近著陸始終是國(guó)際航空范疇研究的熱門和難點(diǎn)，其核心技術(shù)的突破對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全存在重大作用。

　　競(jìng)賽中，THRONE無(wú)人機(jī)厘米級(jí)別的飛行環(huán)境重建精度和自定位精度源自于全部團(tuán)隊(duì)在可視導(dǎo)航研究方面雄厚的理論積淀，這些成果在工程實(shí)踐中展現(xiàn)出了宏大的威力。在談及清華組隊(duì)加入國(guó)際空中機(jī)器人大賽的原因時(shí)，戴瓊海教學(xué)說(shuō)：“首先第一個(gè)起因是磨難已有的技術(shù)，我們研究多維環(huán)境信息采集及重構(gòu)已有十年，要在賽事中發(fā)揮出咱們應(yīng)有的技術(shù)程度；從第二個(gè)角度來(lái)看，是盼望為團(tuán)隊(duì)的同窗們搭建一個(gè)展示自我的舞臺(tái)，并能在其中錘煉本人。”該團(tuán)隊(duì)依靠“鉆之彌堅(jiān)”的科研精力和“精誠(chéng)配合”的團(tuán)隊(duì)力氣，播種了聲譽(yù)的同時(shí)，更會(huì)在飛行器可視導(dǎo)航研究領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的重大成果。

　　著眼于龐雜前提下飛翔器可視導(dǎo)航，以多維信息采集及稀少特點(diǎn)提取、高精度時(shí)空配準(zhǔn)和高精度飛行環(huán)境重建等方面的理論研討為打破口，借助無(wú)人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視導(dǎo)航理論研究向工程實(shí)際的轉(zhuǎn)化，該團(tuán)隊(duì)為飛行器裝上了高科技的“眼睛”。有了這雙“智慧之眼”，飛行器將會(huì)在全地利全天候的飛行環(huán)境下具備超強(qiáng)的魯棒性和保險(xiǎn)性，在將來(lái)的公民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中施展不可替換的作用。

　　第三，如何到達(dá)飛行器飛行導(dǎo)航環(huán)境重建的真切性請(qǐng)求，影響著飛行器上合成視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)能，直接關(guān)乎復(fù)雜條件下飛行器的飛行安全。團(tuán)隊(duì)基于前期積聚的理論成果，樹立了飛行器采集視角、光照變更與位姿的映射關(guān)聯(lián)，將“光度破體”與多視圖匹配相結(jié)合，極大地晉升了復(fù)雜飛行場(chǎng)景的三維重建精度。同時(shí)針對(duì)飛行環(huán)境中多動(dòng)態(tài)目標(biāo)的復(fù)雜交互問(wèn)題，構(gòu)建了國(guó)際上首個(gè)多動(dòng)態(tài)目的的活動(dòng)捕獲及三維重建系統(tǒng)，被盤算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence選為亮點(diǎn)結(jié)果。

　　一方面，規(guī)矩要求參賽飛行器最大騰飛分量不能超過(guò)1.5公斤，這就對(duì)可搭載的傳感器數(shù)目和機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的要求。如何在環(huán)境信息有限且復(fù)雜的情形下獲得高精度環(huán)境建模和自定位成果？針對(duì)此，團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)王玉旺同學(xué)充分利用飛行器飛行過(guò)程中采集到的多視角環(huán)境信息，與飛控系統(tǒng)供給的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)融會(huì)，進(jìn)而提出部分估量與全局校訂相結(jié)合的優(yōu)化框架，利用機(jī)載處理器與地面站協(xié)同運(yùn)算，最終達(dá)到了厘米級(jí)別的定位精度和高達(dá)30Hz的刷新率。另一方面，每一輪（共四輪）比賽中飛行環(huán)境都由裁判隨機(jī)設(shè)置，構(gòu)成不任何先驗(yàn)信息、復(fù)雜多變的室內(nèi)結(jié)構(gòu)，這就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)算法的魯棒性提出了極高要求。團(tuán)隊(duì)李一鵬博士后組織全部隊(duì)員重復(fù)論證，斟酌各種復(fù)雜情況，采取手持飛行器離線測(cè)試的辦法，歷時(shí)一個(gè)禮拜的日夜調(diào)試，確保整個(gè)系統(tǒng)可能應(yīng)答各種隨機(jī)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)核心關(guān)鍵問(wèn)題的解決，為博得比賽奠定了主要基礎(chǔ)。

　　這三個(gè)核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，為保障飛行器飛行和進(jìn)近著陸過(guò)程中高效的環(huán)境信息采集、高速飛行條件下實(shí)現(xiàn)采集信息與飛行器地位的高精度配準(zhǔn)以及正確重建飛行環(huán)境，天生實(shí)時(shí)、可托的合成視景系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

　　結(jié)合973項(xiàng)目以及周東華教授牽頭的清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）重點(diǎn)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目，自動(dòng)化系張濤教授、程農(nóng)教授給予了團(tuán)隊(duì)鼎力支持。團(tuán)隊(duì)秉承“細(xì)節(jié)決議成敗”的理念，充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的完整性、齊備性和理論成果在工程運(yùn)用中的魯棒性等，2個(gè)月的時(shí)光內(nèi)完成了未知環(huán)境自主建模與定位、門路規(guī)劃、通信結(jié)構(gòu)和飛行器把持4個(gè)模塊的設(shè)計(jì)工作。然而，比賽規(guī)則設(shè)定的飛行器限重和復(fù)雜多變的室內(nèi)結(jié)構(gòu)又成為了橫亙?cè)趲熒�眼前的困難。

　　在2013年8月舉行的第23屆國(guó)際空中機(jī)器人大賽中，THRONE團(tuán)隊(duì)依附雄厚的實(shí)踐積淀，素來(lái)自世界7個(gè)國(guó)度的32支高校代表隊(duì)中懷才不遇，成為實(shí)現(xiàn)始自2010年的第6代義務(wù)的獨(dú)一一支代表隊(duì)，從而成為繼斯坦福大學(xué)、卡耐基梅隆大學(xué)、柏林產(chǎn)業(yè)大學(xué)、佐治亞理工大學(xué)跟麻省理工學(xué)院之后的新一代冠軍步隊(duì)。這是該團(tuán)隊(duì)自2012年取得國(guó)家技巧發(fā)現(xiàn)一等獎(jiǎng)之后的又一重大沖破。

　　在理論研究獲得重大突破的同時(shí)，受到大型飛行器驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)施的限度，該團(tuán)隊(duì)將眼光轉(zhuǎn)向無(wú)人機(jī)可視導(dǎo)航系統(tǒng)。相較于載人飛行器，無(wú)人機(jī)具備零傷亡、費(fèi)效比低、安排機(jī)動(dòng)等赫然特色，在軍用和民用領(lǐng)域有著極其廣泛的利用。軍事上可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)偵查、通訊中繼、低空突襲等重要任務(wù)；在民用上，能夠通過(guò)搭載不同的傳感器實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、大范疇地形地貌測(cè)繪等工作。

為飛行器裝上“智慧之眼”

瞄準(zhǔn)重大需要 突破核心關(guān)鍵技術(shù)

　　上個(gè)世紀(jì)末，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家提出可視導(dǎo)航的概念，是將合成視覺(jué)和導(dǎo)航定位有機(jī)聯(lián)合的新型導(dǎo)航方式，是集飛行環(huán)境的可視化與精細(xì)導(dǎo)航定位于一體的飛行器安全飛行和進(jìn)近著陸的要害技術(shù)。在美國(guó)、歐洲的下一代航空運(yùn)輸體系NextGen和SESAR，以及下一代空管系統(tǒng)AFAS打算中，可視導(dǎo)航是其中心技術(shù)，得到NASA與美國(guó)國(guó)家基金委（NSF）的鼎力支撐。飛行器可視導(dǎo)航是解決復(fù)雜環(huán)境下軍民用航空面臨的平安事變、航班耽擱、航路應(yīng)用率低等一系列重大問(wèn)題的古代策略高技術(shù)手腕，可有效支持國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展計(jì)劃中大型飛機(jī)和中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等國(guó)家重大專項(xiàng)的實(shí)行。

　　在未來(lái)的日子里，該團(tuán)隊(duì)會(huì)判若兩人、盡力而為的發(fā)展飛行器可視導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論研究，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防安全做出更大的奉獻(xiàn)；另一方面，團(tuán)隊(duì)將一直秉承清華“發(fā)奮圖強(qiáng)，厚德載物”的校訓(xùn)，在新的科學(xué)摸索征程上義無(wú)反顧，迎接更多的挑釁與收成。

襟懷國(guó)家建設(shè) 科研征程一往無(wú)前

　　戴瓊海，1964年誕生，博士，現(xiàn)任清華大學(xué)主動(dòng)化系傳授。1996年在東北大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位，1999年進(jìn)入清華大學(xué)自動(dòng)化系開展博士后研究工作，并留校工作至今。國(guó)家出色青年基金獲得者、長(zhǎng)江學(xué)者、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃贊助（973名目）“復(fù)雜條件下飛行器進(jìn)近可視導(dǎo)航的基礎(chǔ)理論研究”首席科學(xué)家。2012年度以第一完成人主持“立體視頻重建與顯示技術(shù)及安裝”獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)創(chuàng)造一等獎(jiǎng)。團(tuán)隊(duì)致力于復(fù)雜條件下飛行器可視導(dǎo)航的理論研究多年，在復(fù)雜飛行環(huán)境的多維信息采集與融合、高分辯率高精度時(shí)空配準(zhǔn)以及高精度高效飛行環(huán)境重建等方面獲得多項(xiàng)理論成果，并搭建了全天時(shí)全天候高可見(jiàn)性、高辨別率、高準(zhǔn)確度的自主可視導(dǎo)航基礎(chǔ)系統(tǒng)，在2013年舉辦的國(guó)際空中機(jī)器人大賽中獲得冠軍。

　　其次，如何應(yīng)對(duì)飛行器飛行過(guò)程中極高的動(dòng)態(tài)性所引入的環(huán)境信息重建的不斷定性，是關(guān)系到飛行環(huán)境的可視化與導(dǎo)航定位精度的重中之重。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)利用搭建的多視角變光照采集系統(tǒng)，首創(chuàng)性地提出了時(shí)間—空間—間插曝光采樣，對(duì)高速體育場(chǎng)景進(jìn)行時(shí)間維度的高采樣率采集，獲得多視角的高時(shí)間—空間分辨率場(chǎng)景采樣結(jié)果，突破了傳感器運(yùn)動(dòng)含混與圖像信號(hào)信噪比之間的本質(zhì)抵觸，極大的下降了高動(dòng)態(tài)條件下信息采集及重構(gòu)的不肯定性。

　　首先，飛行環(huán)境極其復(fù)雜，如何高效進(jìn)行多維環(huán)境信息的采集、稀疏特征提取及表現(xiàn)是重要問(wèn)題。飛行器飛行和進(jìn)近著陸過(guò)程中，傳感器采集到的多維環(huán)境信息數(shù)據(jù)量雖大，但實(shí)際上存在著大批的冗余。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在緊縮感知理論框架下提取暗藏在數(shù)據(jù)中實(shí)質(zhì)的稀疏結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和重構(gòu)。所提出的log *** sum啟示式模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)0范數(shù)的極限迫近，從理論上給出了該模型的解析解并證實(shí)了解的穩(wěn)固性和收斂性。該理論成果被國(guó)際頂級(jí)期刊IEEE Transactions On Neural Networks and Learning Systems作為亮點(diǎn)成果。

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