空地跨域多机器人协作理论与系统研究

Due to complementarity abilities in the aspects of environmental perception and mobility, air-ground cross-domain multiple mobile robots are able to present much improved adaptation with respect to complicated environments and autonomy during task performance. However, the significant difference in both the sensing data and the kinemics/dynamics make it be of great difficulty to design efficient cooperation and coordination algorithms. Thus in this project, extensive theoretical researches are conducted on the topics of “Cross-Domain Environmental Information Fusion & Localization”, “Real Time Environmental Modeling & Understanding”, “Real Time Behavior Optimization Under Multiple Constraints”, “Coordinated Control & Decision Making”. Based on these researching results, experiments will be conducted to verify their feasibility and validity. Furthermore, prototype of cross-domain multiple robot systems will be developed and demonstrated with respect to real applications of “exploration of large outdoor fields” and “surveillance of complicated factory/city area”.

空中-地面多移动机器人跨域协作，可通过两种机器人感知能力和行为能力的有机结合实现功能互补，大大提升其环境适应性和任务执行度，逐渐成为移动机器人领域研究的前沿和重点。但空中和地面机器人的感知数据和行为特性存在显著差异性，这为协作算法的设计与实现带来了极大挑战。本项目将重点针对“跨域环境信息融合与协同定位”、“基于跨域感知信息的实时环境建模、抽象与理解”、“跨域环境约束下的单机器人实时行为优化”、“空中-地面多机器人协同控制与决策”等基础科学问题，开展具有原创性的理论方法和技术研究，初步构建面向空中-地面多机器人跨域协作的共性方法体系；并研制实验系统，全面验证理论方法与技术的可行性和有效性；此外，本项目还将面向“广域野外环境探测”和“厂矿-城市环境安全监控”等典型使命，开展应用示范。本项目成果将为多机器人跨域协作研究提供理论和方法指导，并为后续跨域协作机器人系统产品样机及装备研制提供技术。

本项目以广域野外科考和大型厂矿巡检为应用背景，针对空地跨域多机器人协作中面临的“感知信息高效融合”和“协同行为优化产生”两个核心问题，开展理论研究和技术验证。经过四年工作，取得了如下理论和技术成果：1）提出了显著差异性环境信息的多层次、多尺度融合方法及基于跨尺度配准的互定位方法，实现了空地数据准确、快速融合及基于融合信息的协同定位。2）提出了基于跨域感知信息的广域环境建模与理解方法，可为机器人行为优化提供必要、充分的环境约束。3）提出了宏微环境约束下实时全局规划方法和具备知识增量式获取能力的发育式行为学习方法，使机器人可利用空地数据通过自主探索和遥控示教等方式提升行为能力。4）提出了针对空-地平台动力学、运动学差异的跨域编队控制方法和多要素预测增强的协同决策方法，实现了旋翼平台-地面平台、固定翼平台-地/水面平台的跨域编队和动态回收，提升了任务决策的智能性和合理性。上述成果共发表SCI检索论文19篇，获批发明专利5项。在空地跨域应用演示验证平台上得到了充分验证，并在多个实际场景中获得应用和推广：1）2020年7月、10月分赴西藏廓琼岗日冰川、纳木错湖和宁夏哈龙冰川开展机器人化高原科考应用，利用本项目环境感知、理解和行为优化方法，实现了在极端复杂地形地势条件下地面机器人通行能力的显著提升，助力冰储量测量科考任务；相关成果在2020年全国科技活动周中作为“第二次青藏科考”亮点成果向国家领导人汇报，并入选2020年度中科院亮点成果。2）项目合作单位新松机器人自动化有限公司研发的巡检机器人已经在辽宁、内蒙古等省份获得推广，产品在厂区（宝马等）、电力（通辽、伊敏等）实现了机器人自主巡检，其中本项目的环境感知、规划等成果对产品起到了支撑作用。3）此外，项目组正与辽宁省公安厅联合开展空地机器人“大型群众活动安保”应用，以期通过空地跨域和智能化技术的引入，提升公安部门服务类任务“异常事件实时发现和快速应对能力”。