SUPER：香港大学安全可靠的高速空中机器人彻底改变了无人机导航

安德鲁·科塞利

SUPER 可以高速在复杂的环境中行驶，其安全程度是以前无法达到的。 （图片来源：香港大学）

与以惊人的速度和敏捷性在未知环境中航行的鸟类不同，无人机通常依赖外部引导或预先绘制的路线。然而，香港大学（港大）工程学院机械工程学系张福教授和研究人员的一项研究成果，使无人机和微型飞行器（MAV）能够比以往更接近地模拟鸟类的飞行能力。

该团队开发了安全可靠的高速空中机器人（SUPER），能够以超过每秒 20 米（约每小时 45 英里）的速度飞行，并仅使用机载传感器和计算能力避开薄至 2.5 毫米（约 0.1 英寸）的障碍物（例如电线或树枝）。 SUPER 设计紧凑，轴距仅为 280 毫米（约 11 英寸），起飞重量为 1.5 公斤（约 3.3 磅），展现出非凡的敏捷性。

张将这项发明描述为无人机技术领域的游戏规则改变者，“想象一下一只‘机器鸟’在森林中快速机动，毫不费力地高速躲避树枝和障碍物。这是自主飞行技术的重大进步。我们的系统允许微型飞行器以以前无法达到的安全水平高速导航复杂的环境。这就像赋予无人机鸟一样的反应能力，使其能够实时躲避障碍物，同时朝自己的目标飞去。”目标。”

突破在于硬件和软件的精密集成。 SUPER 采用轻型 3D 光探测和测距 (LiDAR) 传感器，能够精确探测 70 米（约 230 英尺）外的障碍物。它与先进的规划框架相结合，在飞行过程中生成两条轨迹：一条通过冒险进入未知空间来优化速度，另一条则通过留在已知的无障碍区域内来优先考虑安全。

通过直接将 LiDAR 数据处理为点云，该系统显着减少了计算时间，即使在高速下也能快速做出决策。该技术已经在各种现实应用中进行了测试，例如古迹的自主探索，并在室内和室外环境中展示了无缝导航。

主要作者任云帆表示：“能够避开薄弱障碍物并在狭小的空间中穿行，为搜救等分秒必争的应用开辟了新的可能性。SUPER 在包括夜间在内的各种照明条件下的鲁棒性使其成为全天候作业的可靠工具。”

这是独家技术简介 对张的采访，为了篇幅和清晰度进行了编辑。

技术简介 ：开发SUPER过程中您遇到的最大技术挑战是什么？

张 ：最大的障碍是建造一架小型无人机，它可以快速飞过森林或灾区等未知、混乱的地方而不会坠毁。我们需要它仅使用机载传感器和计算机来快速思考和反应，这很困难。无人机必须发现远处的障碍物，在几毫秒内规划安全路径，并避免尚未完全看到的区域中的隐患。让所有这些部分（速度、安全性和实时规划）在小型无人机上协同工作是一个巨大的挑战。

技术简介 :能简单解释一下SUPER是如何工作的吗？

张 ：SUPER 是一款小型、超敏捷的无人机，可以以每小时 45 英里的速度飞过未知的地方，而不会撞到任何东西。它使用名为 LiDAR 的激光传感器来“看到”230 英尺外的障碍物，创建周围环境的 3D 地图，例如树木、电线或墙壁。每隔十分之一秒，SUPER 的机载计算机就会规划两条路径：一条是快速路径，假设未探索的区域是安全的，以最大限度地提高速度；另一条是备份路径，坚持它知道的安全区域，以避免崩溃。它会选择最佳路径，既能快速飞行又能保持安全，而无需 GPS 或额外计算机等外部帮助。

SUPER 已经在各种实际应用中进行了测试，包括完全黑暗和杂乱环境的情况。 （图片来源：香港大学）

技术简介 ：这项工作的催化剂是什么？这是怎么产生的？

张 ：我们受到无人机在紧急情况下提供帮助的想法的启发，例如在灾区寻找人员或在速度和安全至关重要的困难地点运送物资。大多数无人机要么飞得快但有坠毁的风险，要么速度太慢而无法在这些情况下发挥作用。我们看到了一个差距：没有人制造出一种仅使用自己的传感器就能在未知地点快速且安全地飞行的无人机。因此，我们着手创建 SUPER，将新型激光传感器与智能规划相结合，制造出能够应对搜索和救援等现实世界挑战的无人机。

技术简介 ：您对进一步的研究/工作/等有什么既定计划吗？如果没有，下一步是什么？

张 ：我们很高兴能够不断改进 SUPER。一项重大计划是通过预测移动物体（例如人或车辆）下一步要去哪里来规划更平滑、更安全的路径，使其更好地处理移动物体。我们还希望让无人机变得更轻、更符合空气动力学原理，也许需要更好的电机或更时尚的设计，这样它就能飞得更快，消耗更少的能源。我们正在考虑升级激光雷达，以看到更小的物体和更远的距离。此外，我们正在探索使用 GPU 等功能强大的芯片来加速软件的方法，为探索未知区域、检查桥梁或快速安全地交付包裹等用途打开大门。

技术简介 ：还有什么我没有提到的你想补充的吗？

张 ：SUPER 能够在各种条件下飞行 - 白天或晚上，穿过茂密的森林或狭窄的空间 - 使其与众不同。它甚至可以躲避大多数无人机看不到的超细障碍物，例如 2.5 毫米的电线。这使其为现实世界的工作做好了准备，而不仅仅是实验室测试。例如，它可以跟踪一辆移动的汽车或探索一座倒塌的建筑物。我们很自豪 SUPER 展示了无人机如何从研究转向实际帮助处于困境的人们，例如救灾或紧急响应，我们希望它能激发更多实用的机器人解决方案。

技术简介 ：您对那些旨在实现自己的想法（广义上）的研究人员有什么建议吗？

张 ：从对人们来说很重要的实际问题开始，例如让生活更轻松或更安全。与具有不同技能的其他人合作——也许是擅长构建硬件的人，另一个擅长编码的人，或者是了解事物实际情况的人。尽早并经常测试您的想法，使用计算机模拟和现实世界的实验来发现问题并解决它们。不要害怕失败；每个测试都会教你一些东西。保持耐心并不断推动，因为将一个很酷的想法变成在现实世界中可行的东西需要时间、勇气和大量的调整。

文字记录

00:00:01 鸟类长期以来一直吸引着人类，因为它们能够在杂乱的环境中高速导航，同时保持极低的故障率，类似的微型飞行器是人类创造的最敏捷的机器之一，具有实现像鸟类一样敏捷的飞行的潜力，而人类专家可以复制像鸟类一样的敏捷平衡

00:00:24 自主飞行的高速和安全仍然是一个挑战，当前的方法经常为了速度而牺牲安全性，反之亦然，这提出了一个关键问题，自主飞行如何在未知的现实世界环境中实现高速和安全的飞行，引入超级安全的高速天线

00:00:51超级机器人结构紧凑，轴距仅为280毫米，起飞重量为1.5公斤，推重比大于5.0，配备360°光探测和测距传感器，能够以超过200,000赫兹的点速率探测70M外的物体，具有基于高级骗子的感知安全保证规划和优化

00:01:20 控制模块以超过 20 m/s 的速度超级导航未知环境，完全依靠机载传感和计算，它可以在极其混乱的环境中高速灵活地机动，而不会影响安全性，其先进的基于骗子的感知系统超级可以高效

00:01:51 检测并避开电源线等细小障碍物，此外，它可以在短短 20 毫秒内识别小于 2.5 毫米的细小物体，从而能够在充满挑战的环境中进行精确导航，这对最先进的基于视觉的商业产品构成了重大困难。lar 的主动检测机制还使超级能够运行

00:02:21 即使在完全黑暗的情况下也能全天工作，得益于这些卓越的功能，超级已经在各种现实世界的应用程序中进行了测试，它可以用于自动探索古代遗址，无缝地在室内和室外空间导航，它还可以在安全保证的情况下穿越茂密的森林

00:02:51 克服复杂的障碍 敏捷性延伸到目标跟踪任务，使其能够在白天和夜间密切跟踪目标并避开室内和室外环境中的障碍物，其高速导航能力安全可靠的设计和强大的性能超级标志

00:03:22 高速自主导航从实验室过渡到现实世界应用的重要里程碑，尽管并不完美，研究人员希望 Super 能够在未来的现实世界场景中解锁新的可能性，例如自主交付检查测绘和搜救任务