给无人机装个聪明的“大脑”

　　把无人机称作“空中机器人”，更为贴切。它可以随时随地轻巧地腾空而起，把人类的眼睛“带”上天空，也能把人类的双手“送”到远方完成许多高难度的复杂任务。

      36岁的天津大学自动化学院教授齐俊桐是为无人机装上“大脑”的人。今年9月，在亚洲最大的直升机展——天津直升机博览会(以下简称“天津直博会”)上，齐俊桐科研团队展示了他们自主研发的直升机无人化解决方案，引来国内外同行的高度关注。

      不满足于只让空中机器人做“飞上天拍个照”的简单操作，十几年来，齐俊桐一直致力于让无人机的“大脑”越来越聪明：不仅要能飞上天，还要会思考、能判断，同时还能代替人工精准地在空中完成复杂的动作。有了这样的“大脑”，直升机也可以实现无人驾驶。

      几年前，齐俊桐团队被世界权威杂志《Journal Of Field Robotics》(《野外机器人》)评选为“全球10个最有影响力的飞行机器人研发及应用团队”，标志着中国的无人机技术开始迈入世界先进行列。

      智能无人机帮各行各业插上“千里眼”

      如今，只需花上几百元，谁都可以拥有一台无人机。在越来越多的场合，人们总会见到大大小小的无人机在空中盘旋嗡嗡作响，底下不远处站着手持遥控器的“飞手”。

      齐俊桐称现在是一个不折不扣的无人机时代。他把眼下的国内的无人机产业分为两类：消费级和商用级。航拍、演出是消费级无人机最主要的用途，只要能飞、能拍摄就好。也因为目标过于趋同，这类无人机产业已成一片“红海”。

      如果说，普通消费级无人机常与飞鸟、白云和美景相伴;那么商用级无人机必须面对的情景则复杂得多。商用无人机也被称为“智能无人机”，它要做的是帮各行各业插上“千里眼”和“顺风耳”的难事。如耗时耗力的电网巡检、物流配送、救灾应急、农药喷洒等领域，都是它们施展拳脚的地方。也因不同行业的需求千差万别，对无人机机型、控制、售后等要求也都完全不同，齐俊桐看到了智能无人机这条产业链上蕴藏的巨大可能性。

      四川省雅安市芦山县发生7.0级强烈地震时，齐俊桐与同事们带着智能无人机奔赴灾区。以往，搜救需要专业搜救人员分成几组，挨家挨户进行人工排查，因搜索面积大，加上震后道路寸步难行，完成排查需要耗费较长时间。可对那些被困的灾民而言，每一分钟都在和死神赛跑。

      齐俊桐团队到了之后，先用救灾应急的智能无人机飞到天上自动排查，“它能用自己的分析系统，直接判断哪些房屋倒塌、哪里需要进一步救援”，带着智能无人机传回的数据，救援人员的效率大大提高了，为更多灾民赢得了宝贵的时间。那一次让齐俊桐更坚定了自己的选择。”

      智能无人机要兼有“大脑”和“小脑”

      与常见的航拍无人机不同，有了“大脑”的智能无人机甚至不再需要“飞手”。它们能自动识别障碍物，并制订出最小能耗的最优躲避方案，来去自如。

      齐俊桐解释说，与人类一样，智能无人机也有自己的“小脑”和“大脑”：“小脑”负责平衡稳定，“大脑”用来感知和判断周围环境。

      齐俊桐团队自主研发了自适应飞控算法，将复杂环境感知的多传感器数据融合导航技术和多余度、高可靠飞行控制技术及先进控制算法融会贯通，“我们要让无人机‘看到并判断’周围复杂的环境，还能自己找到回家的路。”

       在刚刚过去的农业作业季里，齐俊桐团队的智能无人机飞往全国29个省，为超过100万亩作物喷洒药剂。在平原地区作业还比较轻松，一旦遇到梯田、丘陵等复杂地形，智能无人机的“大脑”就需要一刻不停地思考，“这需要与环境产生更紧密的交互，要求无人机同时具备学习能力和数据分析能力。”齐俊桐说，无人机需要不断感知和学习周围的新环境，根据地势变化及时调整自己的导航装置，始终与作物保持一定的距离，才能保证农药的喷洒精准无误。

      智能无人机喷洒农药最大的好处，是把农民从繁重的体力劳动和有害的作业环境中解放出来。同时无人机在药剂喷洒时能保证温度、湿度、保存、防水等方面的精度都达到工业级别。“无人机喷药不但不会破坏作物，而且风吹后叶子翻飞，更容易给叶子的背面施药，”在不断地实践中，团队还特别增加了半自动等宽喷洒、全自动喷洒等多种适用于农田作业的功能，让农药喷洒变得简单、快捷。

       没有了“飞手”，对智能无人机的操控只需要通过手机就能实现。齐俊桐团队将物联网云计算技术与自动化控制技术结合，研发了全国最大规模的空中无人化作业整体解决方案——“百思智云”云平台。只需要在手机上划定需要作业的范围，无人机就能根据指令飞往指定区域完成喷洒。

      齐俊桐认为，无人机收集来的庞大数据拥有不可估量的价值。在今年4月至8月的农业作业季期间，该平台收到了超过8000万条有效数据，涉及作业面积、作业次数、飞防时间、喷洒药剂数量等内容，“既可以为厂商、飞防(通过植保无人机对农作物进行喷洒药剂，降低病虫灾害的作业方式——记者注)团队提供大数据服务，还可以为相关监管部门提供参考思路。”

      把人从枯燥劳动和艰苦环境中解放出来

      在天津直博会上，齐俊桐团队展示的这套飞行控制系统，可成功安装和应用在型号不同、大小各异的无人机上。

      它可以成为一名巡检员，代替人进行长距离、复杂环境的巡检工作，如输电线路、输油线路及移动铁塔的巡检等。齐俊桐粗略算了一下，传统人工巡检需要人拿着望远镜查看线路，人工成本高、工作效率低，而利用智能化无人机开展工作，巡视效率约是人工的6倍到10倍。

       随着人们对智能无人机的要求越来越高，无人机巡检不能只传回十几小时的巡逻画面，还要能分析到底哪里存在问题和隐患，甚至能“伸出手”直接解决简单的问题。比如对于输电线路导线上外飘物隐患处理问题，传统人工需要5小时～8小时，且线路需要停电;而无人机可以带电作业，并在15分钟～20分钟内快速清除外飘物。

       给无人机搭载红外测温设备，大约10分钟就能完成过去约40分钟才能完成的人工登塔测温作业，工作效率提升了3倍。“这也对无人机系统的稳定性、可靠性，还有操作模式、流程提出了更高的要求。”目前，该团队研制的智能无人机已在南方偏远地区开展电力巡检作业。

      这几年，齐俊桐团队又自主研发了国际领先的改造技术，即对大型有人直升机进行无人化改造，“毕竟重新设计一款飞机需要花费很长时间，我们干脆让现成的直升机实现无人驾驶。”

       这相当于给原本由人类驾驶的直升机装上“大脑”，让它能自己完成任务。无人化改造的基本思路是沿用有人直升机的发动机、旋翼、传动等主体结构，通过对其进行结构改造和电气改造，再加装飞行控制系统。这类智能无人机往往可以协助或代替人类开展森林防火、巡查、物流运输、救灾抢险等工作。该团队已经能够实现重量100公斤～3吨直升机的改造工作。

      在“大脑”的指挥下，智能无人机几乎无所不能，齐俊桐说，人工智能已经改变了我们的生活、工作环境，“我们受惠于这种改变，并乐于投身其中，努力将人从枯燥重复的劳动中解放出来。”