在無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性成果正引發(fā)廣泛關(guān)注。西湖大學(xué)工學(xué)院趙世鈺團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“飛行工具箱”（FlyingToolbox）系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了多旋翼無(wú)人機(jī)在豎疊飛行條件下的亞厘米級(jí)精度空中工具交換與操作，為無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)開(kāi)辟了全新路徑。

傳統(tǒng)認(rèn)知中，無(wú)人機(jī)近距離豎疊飛行因風(fēng)擾等因素存在安全隱患，被視為需要規(guī)避的操作場(chǎng)景。然而，趙世鈺團(tuán)隊(duì)反其道而行之，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)打破了這一技術(shù)壁壘。該系統(tǒng)結(jié)合多旋翼無(wú)人機(jī)與高自由度機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)序列、多場(chǎng)景的復(fù)雜任務(wù)協(xié)同，例如空中換電、材料補(bǔ)給、噴涂作業(yè)及高空清潔等應(yīng)用場(chǎng)景。

研究靈感源自對(duì)蜂鳥(niǎo)采蜜行為的觀察。團(tuán)隊(duì)注意到，蜂鳥(niǎo)能在動(dòng)態(tài)環(huán)境中精準(zhǔn)將喙部伸入花蕊，這一自然現(xiàn)象啟發(fā)了他們探索無(wú)人機(jī)空中對(duì)接的可能性。基于此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了包含控制算法、機(jī)械臂及工具箱的核心模塊，使無(wú)人機(jī)能夠像“空中航母”一樣懸停并提供工具，支持多架無(wú)人機(jī)按序完成復(fù)雜任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)攻克了兩大關(guān)鍵難題。首先，當(dāng)兩架無(wú)人機(jī)垂直距離僅0.6米至1米時(shí)，上方無(wú)人機(jī)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)13.18米/秒的氣流干擾，導(dǎo)致下方無(wú)人機(jī)難以保持穩(wěn)定。為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于多層感知機(jī)和高斯模型的擾動(dòng)補(bǔ)償算法，有效抵消了強(qiáng)風(fēng)影響。其次，為實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)接，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了柔性電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)，即使無(wú)人機(jī)位姿存在偏差，仍能確保穩(wěn)定連接。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)在20次連續(xù)對(duì)接中實(shí)現(xiàn)了平均0.80±0.33厘米的精度，較現(xiàn)有系統(tǒng)提升約1個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)鉤環(huán)對(duì)接的精度僅為6至8厘米，而FlyingToolbox系統(tǒng)在六級(jí)強(qiáng)風(fēng)條件下仍能保持穩(wěn)定對(duì)接。這一突破得益于機(jī)械臂的補(bǔ)償機(jī)制和精準(zhǔn)的擾動(dòng)控制算法。

西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（WINDY Lab）長(zhǎng)期聚焦群體智能與空中作業(yè)機(jī)器人研究。群體智能方向探索機(jī)器人間的協(xié)同策略，而空中作業(yè)機(jī)器人則橫跨低空經(jīng)濟(jì)與具身智能領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙世鈺坦言，這項(xiàng)研究歷經(jīng)三年攻關(guān)，期間經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗與調(diào)整，直至2023年底才首次實(shí)現(xiàn)成功對(duì)接。他感慨道：“將科幻場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過(guò)程充滿挑戰(zhàn)，但每一次突破都讓我們離目標(biāo)更近一步。”

目前，團(tuán)隊(duì)已將相關(guān)代碼和機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)源，旨在推動(dòng)更多科研人員參與空中協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，他們計(jì)劃將技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，以滿足工業(yè)界對(duì)高精度空中作業(yè)的需求。趙世鈺表示，盡管無(wú)人機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用，但空中作業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，這項(xiàng)研究為相關(guān)領(lǐng)域注入了新的活力。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將沿“科研深化”與“技術(shù)落地”雙線推進(jìn)。一方面，致力于開(kāi)發(fā)更敏捷、穩(wěn)定的機(jī)器人系統(tǒng)，拓展操作多樣性；另一方面，以用戶需求為導(dǎo)向，推動(dòng)技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用。這一成果已發(fā)表于《自然》雜志，論文題為《近距離豎疊無(wú)人機(jī)協(xié)同操作》，由副研究員曹華姿擔(dān)任第一作者，趙世鈺為通訊作者。