在城市救援的現(xiàn)場，微小型無人機如同勇敢的先鋒，穿越濃煙為消防員指引方向，與時間賽跑挽救生命；在廣袤的農(nóng)田上空，它們又化身精準的“空中醫(yī)生”，通過噴灑農(nóng)藥大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。這些無人機不僅擅長單獨作業(yè)，還能以群舞的姿態(tài)協(xié)同工作，但有一個看似簡單的動作卻始終難以實現(xiàn)——兩架無人機像“疊羅漢”一樣上下交疊飛行。

當(dāng)兩架無人機交疊時，強烈的“氣流干擾”會瞬間產(chǎn)生，導(dǎo)致無人機失控甚至“翻車”，更別提在這樣的狀態(tài)下完成精準作業(yè)。這個困擾行業(yè)已久的技術(shù)難題，如今被西湖大學(xué)工學(xué)院趙世鈺實驗室成功攻克。他們研發(fā)的FlyingToolbox（飛行工具箱）空中協(xié)同操作系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了多架旋翼無人機的空中工具交換，讓“疊式”飛行狀態(tài)下的高精度協(xié)同作業(yè)成為可能。

這項突破性成果于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表，標志著中國在多旋翼無人機領(lǐng)域的研究首次登上這一世界舞臺。研究團隊將無人機從“單兵作戰(zhàn)”推向“群體協(xié)作”的新階段，為空中作業(yè)機器人在更復(fù)雜、更高遠的應(yīng)用場景中完成任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

空中作業(yè)機器人是一種將多旋翼無人機與高自由度機械臂相結(jié)合的新型設(shè)備。與傳統(tǒng)無人機作為“飛行攝像機”用于航拍和監(jiān)測不同，這類機器人是真正的“飛行操作手”，能夠在人類難以抵達的區(qū)域完成危險物品抓取、高空建筑清潔、接觸式檢修等復(fù)雜任務(wù)。然而，單個空中機器人的載荷能力有限，難以獨立完成復(fù)雜作業(yè)。研究團隊由此提出一個創(chuàng)新設(shè)想：能否讓空中機器人像外科手術(shù)團隊一樣分工協(xié)作？主刀醫(yī)生專注操作，護士遞送工具，每個機器人通過工具交換實現(xiàn)功能擴展，從而完成更復(fù)雜的任務(wù)。

實現(xiàn)這一設(shè)想的關(guān)鍵在于“疊飛”技術(shù)。當(dāng)一架無人機飛至另一架正上方時，其螺旋槳產(chǎn)生的“下洗氣流”會形成相當(dāng)于6級強風(fēng)的干擾（氣流速度達13.18米/秒），嚴重威脅飛行穩(wěn)定性。盡管現(xiàn)有研究中“疊飛”現(xiàn)象偶有出現(xiàn)，但通常飛行時間短暫且未涉及精確操作。如何同時實現(xiàn)近距離飛行與高精度操作，成為研究團隊必須跨越的技術(shù)鴻溝。

為此，團隊開發(fā)了FlyingToolbox系統(tǒng)，由一架工具箱無人機和一架操作無人機組成。工具箱無人機如同“空中工具車”，可攜帶爪子、剪刀等多種末端執(zhí)行工具；操作無人機則配備可伸展機械臂，負責(zé)精準抓取和操作。研究目標是讓操作無人機飛至工具箱無人機上方，像醫(yī)生一樣靈活拾取工具并完成任務(wù)，全程無需人工干預(yù)。

這一過程中最大的挑戰(zhàn)在于：機械臂底部與工具頂部之間的水平位移必須控制在1.5厘米以內(nèi)，否則對接將失敗。為破解這一難題，團隊設(shè)計了三項核心技術(shù)：

首先是柔性電磁對接機構(gòu)。操作無人機的機械臂末端裝有帶鐵片的空腔裝置，工具箱無人機頂部則配置了四個環(huán)形柔順圓錐電磁對接裝置。當(dāng)收到對接信號時，電磁芯片通電產(chǎn)生磁力，與機械臂末端的錐形凹槽吸附。由于對接裝置通過彈性系繩連接，具有柔順性，即使兩機姿態(tài)略有偏移，也能確保成功對接。

其次是氣流擾動估計與補償方法。研究團隊在下方無人機中植入了下洗氣流速度場模型，該模型融合空氣動力學(xué)原理與實時傳感數(shù)據(jù)，可預(yù)測操作無人機下方任意位置的氣流速度。結(jié)合兩機相對距離，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算上方無人機氣流對下方無人機的影響，并實時調(diào)整飛行參數(shù)。

最后是高精度對接與操作控制技術(shù)。操作無人機搭載相機，工具箱無人機頂部貼有多個二維碼。當(dāng)操作無人機識別到足夠數(shù)量的二維碼時，即可判斷兩機相對距離并調(diào)整位置。下方無人機則根據(jù)氣流情況實時調(diào)整六個旋翼的轉(zhuǎn)速，確保精準的位置控制和姿態(tài)控制。

實驗結(jié)果顯示，F(xiàn)lyingToolbox系統(tǒng)表現(xiàn)卓越：在連續(xù)20次對接實驗中，平均誤差僅為0.80厘米（標準差0.33厘米），精度較無機械臂補償?shù)南到y(tǒng)提升了近一個數(shù)量級。系統(tǒng)還成功完成了“雙機協(xié)作”剪彩、抓取、放置任務(wù)，以及“三機協(xié)作”復(fù)雜操作。更令人驚嘆的是，系統(tǒng)甚至實現(xiàn)了“運動中對接”——當(dāng)工具箱無人機移動時，操作無人機仍能順利抓取工具，大幅拓展了應(yīng)用場景。

作為低空經(jīng)濟與具身智能領(lǐng)域的交匯點，空中作業(yè)機器人具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。FlyingToolbox系統(tǒng)通過模塊化、可擴展的設(shè)計，為無人機根據(jù)實際需求完成更復(fù)雜任務(wù)提供了可能。研究團隊計劃進一步提升系統(tǒng)性能，并推動其向產(chǎn)業(yè)化邁進，希望在復(fù)雜開放環(huán)境中解決實際問題。