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原标题:无人机编队巡航为百廿北大献礼,工学院谢广明

浏览次数:104 时间:2019-05-06

2018年4月30日,工学院向北大120周年校庆献礼海陆空项目之“空”——无人机群自主协同编队视频展示在五四操场大屏幕、工学院1号楼大屏幕如期开始展播。该项目的创意、研发、制作由工学院谢广明教授领衔的智能仿生设计实验室完成,既展示了工学院在前沿科技领域的强大实力,又为北京大学120周年校庆送上了一份独特而珍贵的生日礼物。

近期,工学院谢广明课题组在多智能体系统的编队控制研究中取得了一系列研究进展,相关论文发表于控制科学的国际顶级期刊 IEEE Transactions on Automatic ControlAutomatica

博雅工道发布水中摄影机器鱼产品

2018年6月3日,北京大学工学院2017级博士生1班党支部与中国人民公安大学交通管理学院学生党员开展共建活动,共同学习习近平总书记在北京大学师生座谈会上的讲话精神。

近期,北京大学工学院谢广明教授领导的课题组研制出一种新型的水下电场通信系统,为目前水下机器人通信提供了一种新思路,相关论文发表于仿生科学领域国际顶级期刊Bioinspiration & Biomimetics9159com金沙网站,。

在短短十多分钟的视频中,谢广明教授团队展示了无人机研发工作的忙碌日常、在室外进行无人机飞行试验的情况、多无人机编队巡航飞行、献礼校庆的多无人机仿真编队等。

多智能体系统涉及控制、数学、生物、物理、计算机、机器人、通讯和人工智能等学科,是近年来多学科前沿交叉领域的重要研究方向之一,受到国内外学者的广泛关注。

11月2日,博雅工道机器人科技有限公司在北京大学百周年纪念讲堂多功能厅召开北京大学创业项目推介会暨水中摄影机器鱼产品发布会。博雅工道宣布推出消费级水中摄影机器鱼BIKI。

在马克思主义学院,同学们参观了“北京大学与马克思主义主题展览”。展览呈现了北京大学与早期中国共产党的密切关系,梳理了北京大学马克思主义研究的历史,让参访同学心生崇敬、深受鼓舞。展览结尾的号召和寄语勉励了在场党员要拿出党艰苦创业、筚路蓝缕的精神,肯下功夫、不懈钻研,用马克思主义世界观与方法论武装思想、指导生活。

由于水环境的特殊性,水下通信不像陆地上那样方便自如,其一定程度上限制了水下机器人大规模应用。传统水声通信是使用最为广泛的一种通信方法。但因其功耗高、体积大、速率慢,容易受到水体运动及周围障碍物的影响,尤其是在有限或地形复杂的水域通信时,信道多径效应明显,通信质量较差,已经很难满足日益增长的水下通信需求。

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谢广明教授的团队是国内较早展开多智能体系统相关研究的人员,强调以多机器人协作控制为应用背景,在若干方向取得了创新性结果。在以往研究的研究基础上,谢广明团队进一步研究了多智能体系统的编队控制问题,特别针对环形编队问题,取得了系统深入的成果。

当天,共青团北京大学团委会副书记熊校良,国际水中机器人联盟主席、北京大学教授、博士生导师谢广明,北京大学工学院助理院长李永梅,北京大学校团委学术科科创部部长石运佳,北京大学教务长办公室田英一,交通运输部水运科学研究院主任耿雄飞,上海海知信息技术有限公司创始人谢殿侠,盛大资本合伙人杨巍等嘉宾和媒体来到了现场。

在工学院会议室,两校学生党员就学习总书记重要讲话精神进行了深入交流。支部书记周伟涛表示,总书记在北京大学师生座谈会上的讲话意义重大、影响深远。“爱国、励志、求真、力行”的四点希望是青年人未来发展的指导思想和行动指南,也进一步激励大家奋发图强,争做新时代的追梦者和圆梦人。最后,他结合自身体会,倡议在场党员,专于本职、勤学苦练、知行合一,为国家的社会主义现代化建设、为实现中华民族伟大复兴贡献自己的一份力量。

谢广明教授领导的团队是国内较早展开水下仿生机器人相关研究的人员,强调模仿学习自然界生物特征和功能,在若干方向取得了创新性结果。为解决水下机器人的稳定通信,推动日后水下机器人群体的大规模应用,谢广明团队从自然界鱼类的一种特殊行为中获得灵感,开发出了通信稳定、功耗低且对水环境要求极低的水下电场通信系统,并在机器人上进行了系统深入的实验验证。

用于编队的无人机

谢广明及合作者首先针对一阶动态描述个体的系统,提出了一种分布式控制协议来实现任意环形编队,严格证明了控制协议的收敛性。从理论上严格证明所提出的控制协议具有一个重要特性——保持在形成期望环形编队的过程中,个体之间不会发生碰撞。作者进一步研究了基于采样数据的控制协议和能够保证在给定的任意有限时间内形成期望环形编队的有限时间控制协议。此外,将有关结果推广到二阶系统上。该成果发表于IEEE Transactions on Automatic and Control (C. Wang, G. Xie, M. Cao, Forming circle formations of anonymous mobile agents with order preservation, IEEE Transactions on Automatic Control, 58(12), 3248–3254, 2013)。

据介绍,相较于传统的水中摄影机器人,BIKI算是真正意义上的消费级产品。无缆绳,易携带,整体重量只有800克左右。除手机app控制外,该机器鱼还配备了便携防水遥控器,让用户享受边游泳边拍照的乐趣。区别于传统的螺旋桨推进的水下设备,该款机器鱼在设计上采用仿生原理,将鱼类的完美游动方式和高清拍摄功能结合,提高了续航能力以及安全性。橡胶材质的尾鳍摆动频率低、噪声小且对人无害,儿童也可放心触摸。它装有一枚800万像素的、支持1440P、30FPS、124度广角运动镜头,满足水下摄影爱好者进行运动画面的拍摄需求。机器鱼内置的2500mA电池支持续航时间达到2小时以上,实现了科技性 艺术性的完美结合。

在交流阶段,中国人民公安大学郑雨思分享了学习总书记讲话的经历与心得。她提道,作为公安类院校,中国人民公安大学十分重视学生的思想政治教育,第一时间组织学生学习了总书记在北大师生座谈会上的讲话。她说,同学们专业不同,但秉持的新理想新理念却是相同的。工学院学生党员王刚谈道,作为一名博士生,更要以社会主义建设者和接班人的使命担当,用工学智慧助力国家建设、助力中国“智”造。

谢广明教授及合作者经过研究发现,自然界有些鱼类如南美电鳗亚目(Gymnotiformes)鱼和非洲管嘴鱼科(Mormyridae)鱼,可以主动发射和感知电场实现水下通信。其工作原理为电鱼通过自身特有的发电器官发射电场信号并且释放到周围水域,由于水是良导体,该电场信号会以类电偶极子场的方式进行传播,附近的其他电鱼可以感知第一条电鱼发射的电场信号,并从中提取频率、波形及信号时间间隔等有效信息,从而解读出电场信号中蕴含的信息,实现个体间的水下通信。从电鱼通信中得到启发,研究团队首先把电鱼通信系统抽象建模为由一对发射电偶极子和一对接收电偶极子组成的简化系统,接着对该电场系统进行数值仿真,初步掌握了其传播及分布特性,最后设计开发出了一套新型的仿生电场通信系统。研究团队对该仿生电场系统进行了深入系统的实验研究,分别对比了电场通信在静水、水流流动、有障碍物环境和自然水域中的通信性能,结果表明水中电场通信比水声通信更为稳定,水体运动、障碍物及水质等复杂环境对电场通信影响都很小。目前发射功率仅为0.25W时即可实现水下3-5米的近距离电场通信,增加发射功率和电极间距可进一步提高通信距离,未来具有较大应用前景。该成果以长文(Regular Paper)的形式发表于Bioinspiration & Biomimetics(W. Wang, J. Liu, G. Xie, L. Wen, and J. Zhang, “A Bio-inspired Electrocommunication System for Small Underwater Robots”, Bioinspiration & Biomimetics, 12, 036002, 2017.)。

在献礼校庆的多机编队部分,54架无人机和120架无人机同时飞向天空,依次形成“PKU”“120”“COE”等字样。“五四精神薪火盛,守正创新正气兴”,54架无人机象征着北京大学5月4日的生日和传承至今的五四精神;“百廿北大常为新,引领未来使命行”,120架无人机表达了工学院对北大120周岁深切的生日祝福。北大学子殷殷的爱校之情,深深的痴迷科研之意,生动地展现在有序不紊的飞行画面上。

考虑到一些机器人在运动时无法倒退的特性,谢广明及其合作者研究了具有单向运动限制的多智能体系统的环形编队问题,提出了一种基于采样控制的分布式控制协议,严格证明了控制协议的收敛性以及整个过程中个体之间不会碰撞。值得注意的是,此类系统属于受限类动力学系统,基于传统的李雅普诺夫稳定性的方法已经无法处理。为此,作者通过大量仿真获得对系统全面完整的观察,深入分析了问题的具体特性,发现了系统运行过程中始终会出现静止不动个体的现象并给出严格证明,基于这个特性最终给出了协议收敛性的严格完整证明。该成果以长文 (Regular Paper) 的形式发表于 Automatica (C. Wang, G. Xie, M. Cao, Controlling anonymous mobile agents with unidirectional locomotion to form formations on a circle, Automatica, 50(4), 1100–1108, 2014)。

博雅工道CEO 熊明磊介绍,从解决大多数用户携带难的痛点出发,BIKI另辟蹊径设计水中机器人为鱼形并使用手机APP和遥控器控制的方式,去掉沉重的缆绳方便了用户携带,只需要放入背包就可以轻松出门。手机是用WIFI连接的方式对BIKI进行控制,用户可以在APP中选择实时直播与路径预设录播两种控制方式,下潜深度可以达到五米。水声遥控器采用声波信号控制机器鱼的方法,可以在四米距离内有效控制BIKI。在手机控制方式中,为了实现手机与BIKI的WIFI信号连接,机器鱼内置了天线接收信号。在水声遥控方式中,则采取了声波遥控,能够满足短距离内的控制需求。

随后,支部党员还带领公安大学学生党员参观了工学院智能仿生设计实验室,该实验室曾以无人机编队动作献礼北大百廿校庆。

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9159com金沙网站 354架无人机形成“PKU”字样

两篇论文的通讯作者为谢广明教授,第一作者为谢广明课题组的博士王晨。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。本项目的合作者包括荷兰格罗宁根大学的Ming Cao教授,双方保持了密切的合作关系。

此外,出于安全性考虑,BIKI特别推出了模块化设计理念,采用整体开放,局部密封的思路,让用户使用无忧。而像路径巡航、一键拍照、一键跟随等简易操作模式让小白用户也能轻松上手。科技感十足的APP操控让用户轻松掌控机器鱼的游动,“感觉像是在玩游戏机一样容易操纵”,是真正的“不反人类”的设计。

本次共建活动是支部学习总书记在北京大学师生座谈会上的讲话精神的重要一环,活动有实地参观、分享互动,立足讲话精神、力求观点交融,引导支部党员在交流共建中多维度多层次多形式对讲话精神学深悟透、入脑入心。

论文的通讯作者为谢广明教授,第一作者为谢广明课题组的博士王伟(目前在美国麻省理工学院机器人研究所做博士后研究)。该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。项目合作者还包括德国汉堡大学的Jianwei Zhang教授、英国帝国理工大学的Jindong Liu教授以及北京航空航天大学的文力教授。

多机编队一直是无人机开发领域的一个难点,各无人机要实现一致的队列变换,必须要有实时畅通的通讯方式、精确稳定的控制方法、精准正确的位置估计;需要根据无人机数量配置多基站通讯、基站间的通讯、基站与多无人机的通讯,保证尽量同步,同时互相不干扰。在控制方法上,要保证无人机之间严格的避碰,还要保持队形变换的优美,其中会涉及到空气动力学、自稳控制、集群协作等技术难点。经过7个多月的自主研发和试验,谢广明教授团队成功地解决了多无人机编队巡航的种种困难,最终给校庆献上了一份完美的“空中贺礼”。

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据悉,博雅工道成立于2015年,该团队是由北京大学等一流大学的博硕士组成,在智能机器人与无人机方面有着多年的经验积累,对科技和创新充满探索热情。该团队在防水结构设计、模块化设计等方面拥有近30项专利。博雅工道创始人兼CEO熊明磊自己本人在北大就读期间就是主攻水下机器人技术,有着丰富的国内、外机器人大赛经验,并参与过机器人教学项目的程序编写。

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熊明磊表示,当其他行业的产品包括无人机市场都开始主打“人性化”设计理念,重视用户体验的时候,水中机器人行业大多数产品,依旧使用传统的外形的和沉重的缆绳。操作难,携带不易将大部分水中机器人限制在“准消费级瓶颈”,而水中机器人的高门槛,让许多热爱游泳拍照,却没有足够器材的人望“洋”兴叹。

 

120架无人机形成“120”字样

无人机编队巡航为百廿北大献礼,工学院谢广明课题组在多智能体领域取得新进展。为了解决这些痛点,让水中拍照更加自由简单,熊明磊想做一款不一样的水中机器人,一款能解放双手、随时记录水中美景的机器人。“我们希望所有热爱游泳热爱科技的人,在使用水中机器人时,都能够随心操控轻松驾驭,从中得到游戏般的放松体验。依托于水中机器人领域的深厚技术积淀,我们历时一年多的研发工作,经过多次改进与测试于近期正式推出了消费级水中摄影机器鱼BIKI。一开始我们尝试了许多不同的产品方向,甚至曾经推出一款电子浴缸,让机器鱼替代观赏鱼,不过最后发现这是一个伪需求,养鱼人士往往就是享受喂鱼的乐趣。最终还是选择了水中摄影机器人这产品,因为全球拥有潜水执照的人超过一亿,对于水下运动机器人的需求巨大,我们就是想要做水下的大疆。”

活动现场

在北大120周年校庆之际,工学院新成立了“智能仿生设计实验室”,由谢广明、孙智利、崔悦等教授带领团队,定位于智能仿生装备的设计、研发与实际应用。无人机编队巡航实际上属于群体控制技术,是谢广明教授团队的主要科研课题之一,无论在民用还是军用等方面都具有广泛的应用前景。除了无人机外,团队在智能仿生机器鱼方向也走在国际前沿,其研发的智能仿生机器鱼曾成功遨游遥远的南极和北极。在校庆日,机器鱼也作为工学院献礼海陆空项目中的“海”,在未名湖中畅游。

无人机编队巡航为百廿北大献礼,工学院谢广明课题组在多智能体领域取得新进展。据悉,未来博雅工道还将继续以水中机器人为切入点,在2代产品上可能还会加上语音识别和人脸识别、自动跟踪等技术。BIKI将不再单单是一个面向C端的消费级产品,在搭载各种传感器之后也将可以应用于B端场景,比如水厂中的漏水监控、环境保护中的排污监测,其独特的仿生技术,甚至可以在一些军事领域得到应用。

 专题链接:学习总书记讲话精神 编辑:白杨

校庆期间,无人机编队视频将在五四操场和工学院1号楼的大屏幕进行轮播,欢迎广大师生前往观看,大家也可以通过网络平台快速进行欣赏

校庆专题网站:9159com金沙网站 7

编辑:山石

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