國際空中機(jī)器人大賽（International Aerial Robotics Competition，IARC）始創(chuàng)于1991年，由著名機(jī)器人學(xué)家、佐治亞理工學(xué)院教授Robert C. Michelson發(fā)起，由國際無人系統(tǒng)協(xié)會(huì)（Association for Unmanned Vehicle Systems International，AUVSI）舉辦并贊助。2012年，該項(xiàng)賽事首次在中國設(shè)立亞太賽區(qū)，與美國賽區(qū)賽程一致，依據(jù)共同規(guī)則進(jìn)行評(píng)分，最終產(chǎn)生獲獎(jiǎng)隊(duì)伍。

 

　　2013年，共有12支代表隊(duì)參加了國際空中機(jī)器人大賽（亞太賽區(qū)）第二屆比賽的角逐。其中既有清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、中國民航大學(xué)、東北大學(xué)、海軍航空工程學(xué)院等國內(nèi)名校，也首次吸引到兩所國外大學(xué)——卡塔爾大學(xué)和印度斯坦理工大學(xué)的隊(duì)伍參賽。

 

　　比賽包括室內(nèi)研討、技術(shù)答辯、靜態(tài)評(píng)判、現(xiàn)場(chǎng)比賽等環(huán)節(jié)，三天時(shí)間里，各參賽隊(duì)進(jìn)行了飛行器設(shè)計(jì)、精確導(dǎo)航、自主控制等方面的精彩展示。

　　圖為清華大學(xué)代表隊(duì)隊(duì)員在為無人機(jī)起飛做準(zhǔn)備。譚樹龍 攝

 

　　國際空中機(jī)器人大賽最突出的特點(diǎn)是需要空中機(jī)器人自主完成任務(wù)，具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性和趣味性，目前已經(jīng)歷了六代任務(wù)。自2010年開始的第六代任務(wù)設(shè)置了一個(gè)“反恐”場(chǎng)景：一份擬破壞全球安全的機(jī)密計(jì)劃書藏匿于位于某偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)的一個(gè)安全機(jī)構(gòu)中，潛伏特工已經(jīng)偵測(cè)到該機(jī)構(gòu)有一個(gè)安全缺口，計(jì)劃用一架小型自主飛行器潛入該機(jī)構(gòu)核心部位，竊取相關(guān)機(jī)密信息，阻止恐怖分子的破壞行動(dòng)。要想順利完成任務(wù)，參賽隊(duì)的小型自主飛行器必須在10分鐘內(nèi)完成秘密潛入、搜索房間、尋找并調(diào)換U盤以及秘密撤退的全過程，難度非常大。

 

 

　　清華大學(xué)THRONE代表隊(duì)的空中機(jī)器人在這次比賽中展現(xiàn)出“強(qiáng)大實(shí)力”。8月3日下午，比賽剛剛進(jìn)入到第2輪，當(dāng)不少參賽隊(duì)還在努力嘗試控制飛行器姿態(tài)、躲過障礙物和警報(bào)進(jìn)入房間時(shí)，清華代表隊(duì)的空中機(jī)器人就直接通過自主飛行順利“潛入”。在走廊與房間中自如轉(zhuǎn)向、穿行，迅速識(shí)別到目標(biāo)房間，進(jìn)入后鎖定放置U盤的桌子，下降，精確地抓住U盤并調(diào)換以假U盤，順利飛出，盤旋落地。成功了！現(xiàn)場(chǎng)一片沸騰。這是4年來兩個(gè)賽區(qū)中第一支完成任務(wù)的隊(duì)伍！

　　圖為現(xiàn)場(chǎng)大屏幕顯示清華大學(xué)代表隊(duì)的無人機(jī)在大賽第二輪比賽中成功潛入目標(biāo)房間并順利抓取U盤的情景。譚樹龍 攝

 

　　在8月4日下午的最后一輪比賽中，任務(wù)難度進(jìn)一步加大，U盤被放置在一個(gè)套間的里間中，這是難度最大的一個(gè)場(chǎng)景。勇于嘗試的清華代表隊(duì)這次更換了一個(gè)搜索效率更高的新策略，幾番艱難的尋覓后，他們?cè)俅纬晒ψト〔⒏鼡Q了U盤。雖然最后由于超時(shí)和能源耗盡未能再次完成任務(wù)，但他們的精彩表現(xiàn)依然贏得在場(chǎng)專家、觀眾和兄弟院校代表隊(duì)的熱烈掌聲。

　　圖為清華大學(xué)代表隊(duì)隊(duì)員慶祝成功的熱烈場(chǎng)面。譚樹龍 攝

 

　　國際無人系統(tǒng)協(xié)會(huì)基金會(huì)執(zhí)行主任Daryl Davidson第一時(shí)間表達(dá)了對(duì)清華代表隊(duì)的祝賀。他表示，清華的隊(duì)員們一次又一次做到了賽前大家認(rèn)為可能無法完成的事，這是非凡的成績(jī)，給人留下了極為深刻的印象。

 

　　清華代表隊(duì)最終以優(yōu)異表現(xiàn)獲得了此次比賽亞太賽區(qū)的“最佳任務(wù)完成獎(jiǎng)”（Best Mission Completion Award）和“最佳靜態(tài)展示獎(jiǎng)”（Best Static Judging Presentation Award）。由于今年美國賽區(qū)的比賽將于稍晚些時(shí)候的8月5日~8月8日舉行，最終的大獎(jiǎng)歸屬還要等待美國賽區(qū)參賽隊(duì)的表現(xiàn)。

　　圖為在主樓前區(qū)的空中機(jī)器人精彩表演。石加?xùn)| 攝

 

　　2013國際空中機(jī)器人大賽（亞太賽區(qū)）由中國航空學(xué)會(huì)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制分會(huì)和飛行器控制一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主辦，清華大學(xué)和中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所承辦，中國航空學(xué)會(huì)、北京航空航天大學(xué)、中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、中航工業(yè)西安航空計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所協(xié)辦。

 

　　國際無人系統(tǒng)協(xié)會(huì)基金會(huì)執(zhí)行主任Daryl Davidson，中國航空學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)劉高倬，中國航空學(xué)會(huì)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制分會(huì)名譽(yù)主任委員、中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所副總設(shè)計(jì)師張汝麟等出席了比賽開幕式。清華大學(xué)黨委副書記韓景陽在開幕式致辭中表示，國際空中機(jī)器人大賽兼顧技術(shù)難度和趣味性，以問題驅(qū)動(dòng)的方式將前沿技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，這種方式有助于培養(yǎng)青年學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力，這也正是未來科技人才所必需的能力。

 

　　作為比賽東道主，清華大學(xué)在推動(dòng)參賽高校交流和科學(xué)普及方面作出了不少努力。例如在賽前舉行飛行控制技術(shù)論壇，邀請(qǐng)專家介紹本領(lǐng)域前沿動(dòng)態(tài)；將比賽的靜態(tài)展示環(huán)節(jié)拓展為公開交流展示的形式，同時(shí)引入編隊(duì)飛行表演，吸引更多科學(xué)愛好者觀摩等。首次參賽的印度斯坦理工大學(xué)隊(duì)長(zhǎng)Muhammed Rizwan表示，能夠參與這樣的國際高水平賽事是一項(xiàng)榮譽(yù)，參賽的主要目的不是獲勝，而是團(tuán)隊(duì)合作和分享。Rizwan特別感謝清華的組織者和志愿者給予他們無微不至的幫助和支持，使他們?cè)趨①惖耐瑫r(shí)收獲了難忘的友誼。

 

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　　國際空中機(jī)器人大賽歷次任務(wù)：

 

　　國際空中機(jī)器人大賽最突出的特點(diǎn)是需要空中機(jī)器人在無人干預(yù)下自主完成任務(wù)，具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性和趣味性。目前已經(jīng)歷了六代任務(wù)。第一代任務(wù)要求空中機(jī)器人完全自主地將金屬圓盤從賽場(chǎng)一側(cè)移到另一側(cè)，1995年由美國斯坦福大學(xué)完成。第二代任務(wù)模擬一個(gè)核生化廢棄物現(xiàn)場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)凌亂擺放5個(gè)半埋的廢料桶，空中機(jī)器人需搜索該區(qū)域，根據(jù)桶上的標(biāo)志識(shí)別桶內(nèi)物品，并取回一個(gè)標(biāo)志，1997年由卡耐基梅隆大學(xué)完成。第三代任務(wù)要求空中機(jī)器人完全自主地飛到災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，從建筑廢墟中搜索生還者，2000年由德國柏林理工大學(xué)完成。第四代任務(wù)構(gòu)思了3個(gè)極富故事性的場(chǎng)景——救援人質(zhì)、核電廠搶險(xiǎn)、古墓奪寶，為搶救珍貴資料，派遣空中機(jī)器人運(yùn)送任務(wù)機(jī)器人進(jìn)入古墓，拍攝掛毯內(nèi)容并傳回照片，2008年由幾個(gè)隊(duì)分別完成。第五代任務(wù)延續(xù)上任務(wù)中的第二個(gè)場(chǎng)景，一個(gè)自主控制的機(jī)器人接近一個(gè)尚未關(guān)閉的反應(yīng)堆，并派出一架小型自主子飛行器進(jìn)入反應(yīng)堆控制室，拍下主控制儀表盤和開關(guān)的照片并傳送給遠(yuǎn)處的專家，2009年由美國麻省理工學(xué)院完成。2010年起進(jìn)入第六代任務(wù)，背景是潛伏于某情報(bào)機(jī)構(gòu)的特工稱一份擬破壞全球安全的機(jī)密計(jì)劃書藏匿于位于某偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)的一個(gè)安全機(jī)構(gòu)中，該特工已經(jīng)偵測(cè)到該機(jī)構(gòu)有一個(gè)安全缺口，計(jì)劃用一架小型自主飛行器潛入該機(jī)構(gòu)核心部位，竊取相關(guān)機(jī)密信息，阻止恐怖分子的破壞行動(dòng)。

 

　　清華大學(xué)THRONE代表隊(duì)介紹：

 

　　在清華自動(dòng)化系承擔(dān)的973項(xiàng)目和清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室（籌）重點(diǎn)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持下，戴瓊海教授、周東華教授、鐘宜生教授和張濤教授等領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開展無人機(jī)視覺導(dǎo)航研究，取得了重要進(jìn)展。

 

　　在戴瓊海教授的帶領(lǐng)下，THRONE代表隊(duì)成立于2012年5月，隊(duì)長(zhǎng)為自動(dòng)化系博士后李一鵬。在2012年IARC比賽中，THRONE代表隊(duì)獲得亞太賽區(qū)“最佳系統(tǒng)控制獎(jiǎng)”，其自主飛行能力在參賽的全球兩個(gè)賽區(qū)的21支隊(duì)伍中（13所國外大學(xué)、8所國內(nèi)大學(xué)）排名第四。

 

　　本屆比賽清華的參賽隊(duì)伍由來自自動(dòng)化系和錢學(xué)森力學(xué)班的15人組成，包括博士后3人、碩士生4人、本科生8人。借鑒整個(gè)團(tuán)隊(duì)在視覺導(dǎo)航理論研究上的突出成果，THRONE代表隊(duì)的無人機(jī)室內(nèi)自定位精度達(dá)到厘米級(jí)別，在未知環(huán)境探索和建模及控制方面均獲得了重要的技術(shù)突破。

 

　　本次參賽的THRONE四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)了未知室內(nèi)環(huán)境增量式實(shí)時(shí)建模（刷新率40赫茲，精度5厘米）、高精度飛行器控制（控制精度3厘米）、高效未知環(huán)境路徑規(guī)劃以及U盤抓取裝置設(shè)計(jì)。