西湖大学无人机飞行工具箱，实现高精度协同作业突破

在无人机技术领域，一个令人振奋的突破正迅速成为关注焦点。来自西湖大学工学院的赵世钰团队推出的“飞行工具箱”系统，让多旋翼无人机在垂直堆叠的飞行场景中，实现了亚厘米级别的工具交换与操作，为无人机协同作业开辟了一条前所未有的技术路径。

长久以来，近距离竖叠飞行因气流扰动等风险，一直被视作无人机操作的安全禁区。但赵世钰团队另辟蹊径，凭借创新的系统设计打破了这一技术限制。该系统融合了多旋翼无人机与高自由度机械臂，可完成长流程、多场景的协同作业，包括空中换电、物料补给、表面喷涂及高空清洁等多样化应用。

研究的灵感最初来源于对蜂鸟采蜜的观察。团队成员发现，蜂鸟能够在不断变化的环境中精准地将喙探入花朵，这一现象激发了他们探索无人机能否在飞行中完成类似精密对接的设想。借鉴这一自然智慧，团队构建了集控制算法、机械臂与工具箱于一体的核心系统，使无人机化身“空中航母”，实现悬停并提供工具支持，让多机依次完成复杂任务成为可能。

在技术攻关阶段，研究团队重点解决了两个核心难题。其一，当两架无人机在0.6至1米的垂直间距内飞行时，上方无人机会形成高达13.18米/秒的强烈气流，对下方机体造成显著干扰。为此，他们开发出基于多层感知机与高斯过程模型的扰动补偿算法，显著削弱了气流对飞行稳定性的影响。其二，为实现高精度工具对接，团队设计了柔性电磁对接结构，即便在机体位姿存在小幅度偏移时，仍能实现可靠的连接锁定。

在系统验证中，这套方案在连续20次对接任务中，平均精度达到了0.80±0.33厘米，比现有主流系统提高了近十倍。例如，传统的钩索式对接方法精度普遍在6至8厘米之间，而“飞行工具箱”即便在六级强风环境下依然能实现稳定对合。这一成果很大程度上得益于机械臂的动态补偿技术和精密的扰动控制算法。

西湖大学智能无人系统实验室（WINDY Lab）长期深耕群体智能与空中作业机器人两大方向。前者关注多机器人间的协同机制，后者则融合低空经济与具身智能的前沿议题。团队负责人赵世钰透露，该项目历时三年反复调试，期间不断试错与优化，直至2024年底首次实现有效对接。他深有感触地说：“将那些看似科幻的场景一步步转化为现实，过程虽充满艰辛，但每一次技术跨越都令人倍感振奋。”

目前，该团队已将系统的核心代码与机械设计资料对外开放，期望吸引更多研究者投身空中协同系统的发展。同时，他们也积极推进技术产业化进程，以满足工业场景中对高精度空中作业日益增长的需求。赵世钰指出，尽管无人机技术已相当普及，但空中作业机器人的商业化仍处于初步探索阶段，这项研究无疑为该领域带来了新的可能性。

展望未来，团队计划以“科研深化”与“技术落地”双轨并行的策略持续推进。一方面，将持续研发更灵活、更稳定的机器人系统，拓展作业任务的多样性；另一方面，将深入贴合用户实际使用场景，加速技术向产业应用的转化。相关研究已在《自然》期刊发表，论文标题为《近距离竖叠无人机协同操作》，由副研究员曹华姿担任第一作者，赵世钰教授为通讯作者。