图 不同场景下的自主特技飞行

　　在国家自然科学基金项目（批准号：62322314、62088101）等资助下，浙江大学控制科学与工程学院高飞副教授团队，在空中机器人的特技动作生成与飞行控制方面取得重要进展。研究成果以“解锁四旋翼的特技飞行潜能：自主特技飞行生成与执行（Unlocking aerobatic potential of quadcopters: Autonomous freestyle flight generation and execution）”为题，于2025年4月17日发表在《科学•机器人》 （Science Robotics）期刊上，并被该期刊官网首页大图介绍。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adp9905。

　　空中机器人在动态密集环境下的大机动飞行是智能无人装备领域的前沿难题，特技飞行作为其极端表现形式，对突破复杂场景下“机动性-安全性-适应性”的三角矛盾具有典型研究意义。当前的技术瓶颈主要体现在两大层面：其一，高难度激进飞行与复杂环境避障存在矛盾，现有算法缺乏对三维空间障碍规避和动力学可行的协同优化，导致激进飞行时极易发生碰撞；其二，针对多样化人机协同需求，缺乏统一的任务建模体系与可扩展动作生成框架，制约了自主系统在复杂场景下的时空自由度与动作泛化能力。

　　为了释放空中机器人的特技飞行潜能，研究团队研发了面向密集障碍场景的空中机器人特技飞行系统，实现了三项核心技术突破。（1）建立了基于意图基元组合的通用架构：将飞行动作解耦为可自由组合的航点网络和姿态变换单元，支持复杂动作的灵活编排；（2）智能轨迹规划算法：在三维避障约束下同步优化轨迹安全性与动作连贯性，突破了传统方法在复杂环境中的机动限制；（3）特技稳定性控制：通过数学建模揭示了倒飞等极限姿态的偏航敏感现象，规避了失控风险，确保激进机动的可控性。

　　基于上述创新，该系统既能在大范围非结构化环境中实现220米超长距离连续翻滚、倒转穿梭等高难度特技组合，又能在仅3.5米高的受限密集障碍场中稳定完成隧道倒钻、环形门极限穿越等专业级动作。通过与顶尖人类飞手同台竞技，系统展现出显著优势：在连续6次倒钻狭窄门框任务中实现100%成功率（人类飞手成功率仅12.5%）。本研究发掘了空中机器人在复杂三维空间自主执行专业级特技飞行的潜能，其动作流畅度与任务鲁棒性均超越顶尖人类飞手，将推动空中机器人在灾后搜索、物资投送、高速机动等极端场景中的实际应用。