在城市救援的現(xiàn)場(chǎng)，微小型無(wú)人機(jī)如同勇敢的先鋒，穿越濃煙為消防員指引方向，與時(shí)間賽跑挽救生命；在廣袤的農(nóng)田上空，它們又化身精準(zhǔn)的“空中醫(yī)生”，通過(guò)噴灑農(nóng)藥大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。這些無(wú)人機(jī)不僅擅長(zhǎng)單獨(dú)作業(yè)，還能以群舞的姿態(tài)協(xié)同工作，但有一個(gè)看似簡(jiǎn)單的動(dòng)作卻始終難以實(shí)現(xiàn)——兩架無(wú)人機(jī)像“疊羅漢”一樣上下交疊飛行。

當(dāng)兩架無(wú)人機(jī)交疊時(shí)，強(qiáng)烈的“氣流干擾”會(huì)瞬間產(chǎn)生，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失控甚至“翻車”，更別提在這樣的狀態(tài)下完成精準(zhǔn)作業(yè)。這個(gè)困擾行業(yè)已久的技術(shù)難題，如今被西湖大學(xué)工學(xué)院趙世鈺實(shí)驗(yàn)室成功攻克。他們研發(fā)的FlyingToolbox（飛行工具箱）空中協(xié)同操作系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了多架旋翼無(wú)人機(jī)的空中工具交換，讓“疊式”飛行狀態(tài)下的高精度協(xié)同作業(yè)成為可能。

這項(xiàng)突破性成果于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表，標(biāo)志著中國(guó)在多旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究首次登上這一世界舞臺(tái)。研究團(tuán)隊(duì)將無(wú)人機(jī)從“單兵作戰(zhàn)”推向“群體協(xié)作”的新階段，為空中作業(yè)機(jī)器人在更復(fù)雜、更高遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景中完成任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

空中作業(yè)機(jī)器人是一種將多旋翼無(wú)人機(jī)與高自由度機(jī)械臂相結(jié)合的新型設(shè)備。與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)作為“飛行攝像機(jī)”用于航拍和監(jiān)測(cè)不同，這類機(jī)器人是真正的“飛行操作手”，能夠在人類難以抵達(dá)的區(qū)域完成危險(xiǎn)物品抓取、高空建筑清潔、接觸式檢修等復(fù)雜任務(wù)。然而，單個(gè)空中機(jī)器人的載荷能力有限，難以獨(dú)立完成復(fù)雜作業(yè)。研究團(tuán)隊(duì)由此提出一個(gè)創(chuàng)新設(shè)想：能否讓空中機(jī)器人像外科手術(shù)團(tuán)隊(duì)一樣分工協(xié)作？主刀醫(yī)生專注操作，護(hù)士遞送工具，每個(gè)機(jī)器人通過(guò)工具交換實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，從而完成更復(fù)雜的任務(wù)。

實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想的關(guān)鍵在于“疊飛”技術(shù)。當(dāng)一架無(wú)人機(jī)飛至另一架正上方時(shí)，其螺旋槳產(chǎn)生的“下洗氣流”會(huì)形成相當(dāng)于6級(jí)強(qiáng)風(fēng)的干擾（氣流速度達(dá)13.18米/秒），嚴(yán)重威脅飛行穩(wěn)定性。盡管現(xiàn)有研究中“疊飛”現(xiàn)象偶有出現(xiàn)，但通常飛行時(shí)間短暫且未涉及精確操作。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)近距離飛行與高精度操作，成為研究團(tuán)隊(duì)必須跨越的技術(shù)鴻溝。

為此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了FlyingToolbox系統(tǒng)，由一架工具箱無(wú)人機(jī)和一架操作無(wú)人機(jī)組成。工具箱無(wú)人機(jī)如同“空中工具車”，可攜帶爪子、剪刀等多種末端執(zhí)行工具；操作無(wú)人機(jī)則配備可伸展機(jī)械臂，負(fù)責(zé)精準(zhǔn)抓取和操作。研究目標(biāo)是讓操作無(wú)人機(jī)飛至工具箱無(wú)人機(jī)上方，像醫(yī)生一樣靈活拾取工具并完成任務(wù)，全程無(wú)需人工干預(yù)。

這一過(guò)程中最大的挑戰(zhàn)在于：機(jī)械臂底部與工具頂部之間的水平位移必須控制在1.5厘米以內(nèi)，否則對(duì)接將失敗。為破解這一難題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三項(xiàng)核心技術(shù)：

首先是柔性電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)。操作無(wú)人機(jī)的機(jī)械臂末端裝有帶鐵片的空腔裝置，工具箱無(wú)人機(jī)頂部則配置了四個(gè)環(huán)形柔順圓錐電磁對(duì)接裝置。當(dāng)收到對(duì)接信號(hào)時(shí)，電磁芯片通電產(chǎn)生磁力，與機(jī)械臂末端的錐形凹槽吸附。由于對(duì)接裝置通過(guò)彈性系繩連接，具有柔順性，即使兩機(jī)姿態(tài)略有偏移，也能確保成功對(duì)接。

其次是氣流擾動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償方法。研究團(tuán)隊(duì)在下方無(wú)人機(jī)中植入了下洗氣流速度場(chǎng)模型，該模型融合空氣動(dòng)力學(xué)原理與實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)，可預(yù)測(cè)操作無(wú)人機(jī)下方任意位置的氣流速度。結(jié)合兩機(jī)相對(duì)距離，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算上方無(wú)人機(jī)氣流對(duì)下方無(wú)人機(jī)的影響，并實(shí)時(shí)調(diào)整飛行參數(shù)。

最后是高精度對(duì)接與操作控制技術(shù)。操作無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)，工具箱無(wú)人機(jī)頂部貼有多個(gè)二維碼。當(dāng)操作無(wú)人機(jī)識(shí)別到足夠數(shù)量的二維碼時(shí)，即可判斷兩機(jī)相對(duì)距離并調(diào)整位置。下方無(wú)人機(jī)則根據(jù)氣流情況實(shí)時(shí)調(diào)整六個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，確保精準(zhǔn)的位置控制和姿態(tài)控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)lyingToolbox系統(tǒng)表現(xiàn)卓越：在連續(xù)20次對(duì)接實(shí)驗(yàn)中，平均誤差僅為0.80厘米（標(biāo)準(zhǔn)差0.33厘米），精度較無(wú)機(jī)械臂補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)提升了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。系統(tǒng)還成功完成了“雙機(jī)協(xié)作”剪彩、抓取、放置任務(wù)，以及“三機(jī)協(xié)作”復(fù)雜操作。更令人驚嘆的是，系統(tǒng)甚至實(shí)現(xiàn)了“運(yùn)動(dòng)中對(duì)接”——當(dāng)工具箱無(wú)人機(jī)移動(dòng)時(shí)，操作無(wú)人機(jī)仍能順利抓取工具，大幅拓展了應(yīng)用場(chǎng)景。

作為低空經(jīng)濟(jì)與具身智能領(lǐng)域的交匯點(diǎn)，空中作業(yè)機(jī)器人具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。FlyingToolbox系統(tǒng)通過(guò)模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，為無(wú)人機(jī)根據(jù)實(shí)際需求完成更復(fù)雜任務(wù)提供了可能。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，并推動(dòng)其向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，希望在復(fù)雜開放環(huán)境中解決實(shí)際問題。