复杂环境中空中-水面子母机器人系统自主行为方法研究

The flying robot and the surface robot present complementary abilities in the aspects of both surrounding perception and behavior.Thus a air-surface marsupial robot team， which is made up of small rotor flying robot and surface robot, can be expected to have greatly enhanced autonomy, especially when facing complex environment. However, due to the completely different perceptual perspective and dynamics, it is a extensively difficult task to make these two robots work cooperatively and coordinately, wherein "real time perception and behavior optimization in complicated marine environment" and "cooperation and coordination of different kinds of robots in the sense of both information and behavior" are two important problems. Therefore, in this project, researches are conducted from the following three points,1) real-time perception and modeling of the dynamical and unstructured environment; 2) behavior optimization of surface robot under motion constraints and environmental constraints; 3) perception information fuse and behavior coordination between the flying robot and the surface robots. After that, a air-surface marsupial robot platform is designed on the basis of the current flying robot and surface robot to test the validity and feasibility of the proposed thories and algorithms. This project will apply necessary techniques for the application of the air-surface marsupial robot in the real flood disaster rescue. Furthermore, part of the above referred-to contents are the comon basic problems in the filed of robotics, and thus the researching achievement may be useful for some other kinds of robot systems, especially multiple heterogeneous robot systems.

飞行机器人和水面机器人组成的空中-水面子母机器人系统，可融合两种移动机器人互补的环境感知能力和行为能力，因此可提高系统在复杂环境中的自主性能。但是，飞行机器人和水面机器人具有完全不同的感知视角和动力学特性，要想实现二者能力的有效融合，"动态、非结构化水面环境中的实时感知和行为优化"、"信息和行为层面的异类机器人的高效协作"是两个需要解决的关键问题。本项目拟从"面向行为优化的动态、非结构化水面环境建模方法"，"运动与环境约束下的水面机器人行为优化方法"和"面向空中-水面机器人协作的信息融合及协调控制"三个方面，借鉴机器人学和控制理论中的最新研究成果，开展针对空中-水面机器人的基础理论研究，并以洪灾救援为背景，利用实际的机器人平台开展实验研究。本项目可为实现机器人化的洪灾灾后救援提供技术基础，同时作为共性基础问题，本项目的部分研究成果对于其他移动机器人尤其是异类机器人系统的研究也具有借鉴意义。

本项目以机器人化洪灾灾后救援与水域环境监控为应用背景，开展了空中、水面机器人协同理论、技术研究及应用验证，以期显著提升单体机器人环境适应性和任务执行效率。本项目在跨域协同理论、实用化协同技术、空水协同机器人系统、水灾救援及环境监控应用等方面取得了一系列成果。跨域协同理论方面：建立了包括环境建模、行为优化、以及协调控制在内的空中-水面子母机器人系统自主行为理论框架。核心技术方面：面向动态、非结构化水面环境，分别提出了基于纹理分析与阴影验证的水域边界线检测方法，得到稳定的水域边界线；针对动水面环境下的水面机器人，提出了基于LPV的实时行为优化方法与基于深度学习的行为快速生成方法，提高机器人的通过能力、机动能力和运动平稳性；面向空中-水面机器人协作，提出了基于多相关性八叉树的异视角、异尺度传感器信息融合方法，以及旋翼飞行机器人动平台自主回收降落控制方法。系统研制方面：利用现有平台搭建了空中-水面子母机器人系统。应用方面：联合消防部门分别在抚顺市与南阳市开展了水面应用示范，验证了综合应用效能的提升，得到用户的初步认可。以上述成果为支撑，项目组共发表论文23篇。其中SCI论文8篇（1区论文3篇、2区论文1篇），EI论文15篇，获批专利4项。