沈自所自研“云雀” 实现我国首次机器人化高海拔环境拔科考

机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量,服务人类生活,扩大或延伸人的活动及能力范围。机器人是自动执行工作的机器装置。既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

机器人的任务是协助或取代人类的工作。机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等。

近日，沈阳自动化研究所自主研制的“云雀”自主飞行机器人助力科研人员进行青藏高原开展高海拔冰川与湖泊智能化科考工作。“云雀”飞行机器人突破了“稀薄大气中的高效升力系统设计”、“高原强风干扰下的自主控制”等技术瓶颈，实现了空气稀薄、强风扰等极端环境下的自主起降、定点/航迹飞行、仿地飞行、动静态障碍物避碰等自主功能。“云雀”具备“携带5公斤科考载荷、抵御7级大风，在海拔6000米的高度飞行近30分钟”综合能力，是我国首 款适应极高海拔环境的科考飞行机器人。

在海拔6000米的廓琼岗日冰川区，“云雀”完成了冰面温度热红外影像监测、冰川三维地形勘测与建模、高空大气温湿压与黑碳通量垂直廓线监测工作;在海拔4730米的纳木错湖，完成了深部水体样品自动化采集和湖水温度垂直剖面实时监测工作。本次应用充分验证了“云雀”的自主作业能力可覆盖青藏高原所有野外科考站和绝大部分冰川区，其兼具垂直起降、定点悬停、精准作业等特点，有望形成全新的精细化、智能化科考作业力量。

高效升力系统

主要用于飞机起飞与着陆，主要通过高升力系统来产生，从而避免过长的飞机起飞和滑跑距离。现代飞机采用高升力系统解决上述矛盾，通常是在机翼前缘配置缝翼、在机翼后缘配置襟翼。飞机常用的增升装置包括：1)前缘缝翼：通过在机翼前缘增加可活动缝翼改变机翼弯度，从而增加机翼升力系数;2)后缘襟翼：通过在机翼后缘增加可活动襟翼改变机翼面积，提高机翼升力。用于驱动以上增升装置的控制系统就是高升力控制系统。高升力系统是集机械传动、液压、检测和控制等技术于一体的综合性系统，在系统集成、关键部件等方面有独特的技术特点。

高升力系统是功能独立的飞机分系统，是从驾驶杆到翼面的完整位置闭环控制系统，由襟缝翼电子控制单元进行信号处理和功能控制，通过总线与飞机航电系统和主飞控系统等其他系统交联。在先进大型飞机上，高升力系统与主飞控系统、自动驾驶系统等 3 部分组成了完整的飞机飞行控制系统。

高升力系统对飞机的经济性、维护性有重要影响。现代大型飞机的高升力系统普遍采用集中驱动构架，其机械传动线路通常长达数十米，总计要连接上百个传动装置。高升力系统影响飞机的油耗和起降性能，同时由于飞机高升力系统结构复杂，体积较大、零件数量多、维修难度高、维护成本和费用都较大，大型飞机高升力系统的性能往往决定着飞机的整体市场竞争能力。

高升力系统由翼面作动子系统、机械传动子系统、动力驱动子系统、控制和监控子系统、故障保护子系统和传感器子系统等组成。高升力系统的技术发展主要体现在控制与监控、作动能量传输方式上。在控制与监控方面，高升力控制系统从人工操纵发展到电传操纵系统，进而发展成容错式双余度数字电传操纵系统;而在作动能量传输方面，则从襟 / 缝翼各段翼面独立驱动发展到集中共轴驱动，再到内、外襟翼差动，并正在发展多翼面独立驱动方式。

自主起降

是指无人机按照预先设定好的程序，自主完成起飞(发射)、降落(回收)过程。自主无人机主要由飞行控制计算机、传感器系统伺服控制系统、地面监测系统等组成。系统所采用的飞行控制计算机为AT91 SAM7SE(512)，传感器系统包括惯性测量单元、电子罗盘、GPS和Sonar;伺服控制系统由遥控器、PCM接收机和控制滚转、俯仰、航向、油门和总矩的5个舵机组成;地面监控系统包括PC104、无线路由器以及运行地面监控程序的PC。

系统采集的信息数据主要包括IMU输出三轴的角速度和线加速度;Compass输出三轴的地磁通量;GPS输出的经纬度、海拔、速度、卫星等;Sona输出的高精度高度数据。主控器综合各种信息，在串级PID控制下通过卡尔曼滤波算法融合诸数据实现无人机的自主飞行起降。

热红外影像监测

由热红外扫描器接收和记录目标物发射的热辐射能而形成的图像。热红外图像的解译有助于区分岩石类型，圈定地质构造，探测地热资源及地表温度以及监测环境变化等。利用红外线可以隔着薄雾和烟雾拍摄景物，即使夜间也可以进行红外摄影。

用红外线代替普通光线的摄影，物形的细节更加突出;在卫星上采用红外线对地面摄影。夜间研究天体的近红外辐射的吸收光谱，可以了解天体上的气体成分。红外线讯号只要中途没有障碍，能被远处的接收站接到，并转变成电流脉动被记录下来，类似无线电通讯。此外，可以用红外线来烘烤金属表面的油漆、烘烤食物。红外遥感测量技术可用在地质勘探、气象预报等。

三维地形测绘

三维测量就是被测物进行全方位测量，确定被测物的三维坐标测量数据。其测量原理分为测距、角位移、扫描、定向四个方面。根据三维技术原理研发的仪器包括拍照式(结构光)三维扫描仪、激光三维扫描仪和三坐标测量机三种测量仪器。三维测量可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统 经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能的测量”。 三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。

新闻来源：中国科学院沈阳自动化研究所