以牧羊犬行动持续推动无人机技术创新

颜思铭

8月26日上午，2018年“圆梦天使杯”国际空中机器人大赛（亚太赛区）在北京航空航天大学开幕，并开始了任务7的第一轮正式比赛，任务7的后三轮比赛在当天下午进行，任务8比赛在第二天进行。本届大赛共十所高校参加任务7的比赛，有4所高校参加任务8的比赛。其中，北京航空航天大学和哈尔滨工业大学两所大学均报名参加任务7和任务8比赛。

比赛结果

经过2天的激烈争夺，多支队伍取得了不俗战绩。在任务7的争夺战中，浙江大学队ZMART团队获得了2018年任务7年度冠军，厦门大学白鹭队获得了2018年度第二名，哈尔滨工业大学HITCSC团队获得了年度第三名，海军航空大学智鹰队获得了最佳任务规划奖，北京航空航天大学驭远-X队获得了最佳系统控制奖，南京航空航天大学代表向阳而生队获得了最佳系统导航奖，中国民航大学Civil Drone队获得了系统设计奖，中山大学空中机器人队获得创新设计奖，宁夏大学Eagle eye队获得最佳进步奖，印度斯坦大学-KCG技术学院代表队获得团队文化奖。虽然今年参加任务8的参赛的队伍均没有完成比赛，但是裁判组最终还是对参赛代表队的表现给予了肯定，最终北京航空航天大学驭远-Y团队获得了最佳无人机协作奖，哈尔滨工业大学HITCSC团队获得了最佳技术实现奖，印度理工学院孟买分校代表队获得了最佳表现奖。

本次大赛由国际无人机系统协会、中国航空学会、中国人工智能学会、中国自动化学会、北京航空航天大学、中国航空教育学会主办，由国际无人机系统协会设立奖金，由北京圆梦天使通航科技有限公司承办。

历代任务回顾

从创立至今，IARC历经24年，已经全部完成了6代任务，今年将完成第7代任务，并开始进行第8代任务。

其中，第1代任务要求空中机器人在不依赖于惯性导航系统的情况下能够全自主飞行，找到目标物体并搬运到指定地点;

第2代任务要求空中机器人能够从废物堆中带走目标样品，具有自主空中测绘、毫米级目标识别和目标获取的能力;

第3代任务要求空中机器人具有识别、定位并区分灾害中生还者和死者以及描绘灾害场景的能力，并且能够规避来自包括混乱、烟雾和昏暗环境下的各种威胁（例如，15m高火焰或者间歇性水柱）;

第4代任务则要求空中机器人能够准确找到远距离（例如5km）村庄中的指定房屋，识别房屋入口（开着的窗户/门），进入其中找到目标物体;

第5代任务是第4代任务的延伸，空中机器人需要绘制室内地图并定位指定的目标;

第6代任务和第5代类似，但是室内飞行场景更加复杂，且空中机器人必须在十分钟内躲避或摧毁安防措施，发现并理解墙上的文字指引信息，找到并取走房间内机密物（U盘），放入替代品，最后快速地退出建筑物。

在比赛的前6代任务中，拾取和移动物体的能力已经充分得到展示，使用GPS和SLAM技术进行导航亦被很好地验证。而IRAC的目的不是重复先前已实现的技术，而是开辟空中机器人技术的新领域。

在这样的背景下，任务7应运而生，有三个新行为加入挑战，而这三个行为在前6次IARC任务中从未被尝试过：一，空中机器人与地面自主机器人的交互行为;二，在一个开敞环境中的导航行为，而且该环境中无外界导航辅助（如没有GPS或墙壁等静止点参考等）;三，与其他竞争空中机器人的博弈行为。

今年是第7代任务“空中牧羊犬行动”的第五年也最后一年的比赛，空中机器人完全依靠自身的导航与控制技术围堵和控制地面移动物体到比赛场地的指定区域，根据比赛规则，空中机器人是“牧羊犬”，比赛场地中10台随机移动的地面机器人是“羊”，4台随机移动的地面机器人是“狼”。空中机器人（“牧羊犬”）要在10分钟之内把4台以上的地面机器人（“羊”）移动到场地绿色边缘之外（“羊圈”），完成上半场既定任务。之后，通过与其他空中机器人的博弈与较量，完成下半场既定任务。

全新的“星际飞船救援行动”任务

在任务7将全部完成的情况下，任务8出现了。今年是任务8“星际飞船救援行动”的第一年比赛，将首次进行人与机器的远程非电子手段交互，由4个空中机器人协助人完成由一个人不可能独立完成的任务。

任务8的背景是在星际飞船“方舟一号”上面，无人机操作者模拟一名随舰工程师，要在8min的时间内取得一个关键零件并为飞船的故障反应堆更换。反应堆由空中机器人哨兵的保护，这些机器人哨兵不具备敌我识别能力，因此会攻击工程师。工程师进入反应堆控制室时，可以激活随身携带的四台空中机器人助手，帮助工程师定位所需的替换部件，并可以应对哨兵机器人的攻击。工程师的空中机器人助手将只接受操作者的非电子命令（例如手势或语音命令等）。

相比过去各代任务，任务8的背景更为生动有趣，增添了许多的趣味性，但对于参赛选手来说，难度提高了许多。根据规则，参赛队员的空中机器人助手应该具有以下特性：

·全自主飛行;

·飞行范围控制在比赛场地内;

·躲避障碍;

·对声音或手势指令做出响应;

·在相应指令发出时，使用激光照射参赛队员;

·在相应指令发出时，悬停在存储箱上方;

·将存储箱的视频情况发送给参赛队员;

·理想情况下，至少可以续航8分钟。

从这些特性可以发现，除了之前一系列任务所要求的技术特性（如全自主能力、避障能力、导航制导能力等）以外，任务8的参赛空中机器人还需要具备以下全新特性：非电子人机交互能力（即对无人机的非电子控制，如语音控制，手势控制等）、通过机群上传感器的信息融合增强操纵人员的态势感知能力、机群间交互能力、空中目标辨识能力、不同空中机器人在同一片空域中执行不同任务时彼此的交互能力等。

因此，在任务8中将出现这样的情景：一个队员与一队无人机协同工作，试图在敌方有无人机巡逻的场地中取回某件特定物品，同时要保证不被敌方反制。

大赛意义和使能作用

国际空中机器人大赛是一项非常有意义的大赛，正如王英勋教授所述，IARC不是一个用于观赏的娱乐比赛，而是一个用来推动空中机器人技术发展水平的“技术比赛”，更深层次上来说可以促进世界无人系统的发展。IARC设立的都是一些看似“不可能”，但是对于空中机器人乃至整个无人系统行业来说都是非常重要的技术任务。王英勋坚信，当人们真正投入到该项任务时，通过设立奖项，激励人们将不可能完成的任务变为可能。王英勋教授同时指出，国际空中机器人大赛（IARC）将技术挑战性与实用性相结合，吸引了世界范围内高等院校师生加入，促进了世界各大学相关专业师生的科技研究与开发，引领和推进了空中机器人和控制技术的进步。

当前，无人机技术蓬勃发展，空中机器人作为小型无人飞行器，很多关键技术突破是可以注入到现代无人飞行器中的。IARC正是一个很好的契机，大赛中设立了代表前沿技术的任务目标，通过“技术竞赛”吸引并激励高校师生投入到提高自主控制等级、突破无人飞行器关键技术屏障的科技浪潮中，从而推动未来尖端技术的科技创新。

无人机不断增强的自主能力和无人机间信息交互的瞬时性、相关性与准确性的提升，可以为人员带来额外的优势。除了先进的自主能力外，分布在多台无人机上的传感器的协同工作，允许人类采集之前难以获得的数据。然而，人类依旧需要依赖实时信息来做出决策，因此获取更大量的共享信息可以为人们提供压倒性的优势。在这种情况下，无人机操作人员的处理能力受限，需要考虑指令和控制问题。因此，任务8所面临的独特挑战是，在人与无人机队员之间进行合适的动态任务规划能力的开发，这标志着无人机智能化技术又将迈上一个新的台阶。

空中机器人大赛的宗旨是通过设置具有挑战性的、实用性强的比赛任务，将理论与实践结合，促进无人机及其制导、导航与控制（GNC）技术的发展，推进空中机器人前沿技术进一步发展。也正因为如此，从2012年开始，中国航空学会将IARC引入中国，设立亚太赛区，与美国赛区同步进行赛事，借助中国庞大市场与资源拓展参赛范围和活动的影响力，为中国乃至亚太地区的高校和科研院所提供了一个便捷的尖端技术竞技平台，促进中国无人机技术创新能力和应用水平的稳步提高。