《南京信息工程大学报》  
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王伟:无人机背后的“最强大脑”

摘要:王伟:无人机背后的“最强大脑”   2019年3月25日,王伟又一次迎来了一年一度的研究生面试。在学科2号楼N207这间三十多平米的实验室内,大部分空间被研究生的实验桌占据,最里面一间几平米的小隔间是王伟的办公室。按照惯例,王伟会和前来面试的准研究生聊上一个小时。   简单几句交流后,王伟提出了自己最关切的问题:“你对什么感兴趣?”   从制图车间走出的“无人机”飞控专家   时间拉回到1998年,“对什么感兴趣”的问题同样困扰着26岁的王伟。彼时,已经在哈尔滨电力设备总厂做了5年助理工程师的王伟有着一份令人羡慕的工作。作为全厂唯一的大学毕业生,刚实现工资连升3级的他前途一片光明。   然而,王伟却出乎意料地递交了辞职申请。   “总感觉哪里不得劲。每天就是画图纸,阀门,皮带机,运煤机械……”,这样的人生是不是有点单调?不安分的王伟在迷茫中思索着自己的未来。   辞职后的王伟没有再进入职场,而是转身又一次进入了大学校园。在日本千叶大学,王伟以27岁的“高龄”匆忙穿梭在一群十八九岁的本科生中。   “离开校园多年一时难以找回学生的感觉,直接读研究生比较吃力。”王伟狠下心再次从本科读起,一读就读到了博士毕业。   早上七点起床,骑着摩托赶上学校八点的第一节课,一天的课程结束后再转战餐馆刷盘子,晚上九十点钟回到租住处继续预习第二天的课程,这是王伟留学时的日常。   “那时候真切地感受到学习的重要,完全是主动学习”,积极的态度加上正确的方法使王伟在竞争中脱颖而出。   在同届一百七十多名学生中,王伟稳居前十名。利用学校可以跨年级选课的制度,王伟仅用三年便达到了毕业要求。   正当王伟准备提前毕业和朋友创业赚钱时,一次实验室的参观活动改变了他的人生轨迹。   按照传统,千叶大学每年会组织毕业班的学生参观本校实验室以挖掘优秀苗子读研深造。一门心思开公司的王伟拗不过朋友的劝说,抱着陪朋友的心态走进了自动控制系统实验室。在这里,他遇见了后来的研究生导师,被誉为“日本无人机第一人”的野波健藏。   为了吸引更多的优秀学生读研,各实验室都会趁着学生参观的机会拿出看家本领,自动控制系统实验室也是如此。彼时,机器人是热门研究。王伟一进入实验室,一个蜘蛛型的“探雷”机器人一下子“唬”住了他。   “大蜘蛛的爪子一伸就让我有了兴趣”,让王伟没想到的是,自动控制系统实验室的主持人野波健藏居然因为大二时的一次课堂发言对他留有良好印象。就这样的“阴差阳错”,王伟走上了自动控制研究道路。   2003年,王伟刚进入实验室。精工爱普森公司找到野波健藏寻求解决一款小型飞行机器人的飞控问题。野波健藏询问一圈下来,实验室中其他人都不愿挑战这个项目。初生牛犊不怕虎的王伟主动请缨,成了这个项目的负责人。   带着一台电脑和导师给的参考书,王伟进驻厂家开始了“科研苦旅”。   兴匆匆进入厂家的王伟第一天就傻了眼,厂方的工程师只精通硬件完全不懂飞控。而自己编程水平虽高,却同样没有飞控基础。面对厂区内不接入外网,电话费又超出自己承受能力的困境,求援无门的王伟唯一能抓住的就是导师写的那本《控制理论基础》。   晚上研究《控制理论基础》,白天一个算法接一个算法的试错,实在熬不住了就打电话给导师“哭鼻子”解压,近一年后,王伟终于解决了这个小型飞行机器人的飞控问题。此时,飞行控制理论在王伟面前已不再神秘。   硕士毕业时,项目经验丰富的王伟已经能够做到任何一架无人机放在眼前就可以控制自如,并成为所在团队的带头人。博士毕业时,王伟建立起了12人的研究团队。无人机飞行控制研究成了他坚定的事业追求。   以核心技术鏖战市场大潮   搭载高清相机,通过智能手机实现“傻瓜式”操作,在空中辗转腾挪,多旋翼无人机已经飞入寻常百姓家。常规设计中,一架小型无人机由飞控系统与动力系统组成。其中飞控系统是无人机的飞行大脑,承担着导航、动力控制等任务。当无人机飞上天后,各种系统的协调、作业任务的完成等都依靠飞行大脑聪明而稳定的工作。   王伟的研究就是要让无人机飞控系统的表现越来越聪明且稳定。   2010年,已经在千叶大学担任教职的王伟借回国讲座第一次来到南信大。学校求贤若渴的真诚,加之在外多年的漂泊感,让王伟决定回国发展。在南信大,教学、带研究生、研究课题、做无人机产品,短短两年多,王伟便重新建立了自己的研究团队。   “象牙塔”的科研优势结合市场化的运作模式,王伟的无人机终究要飞向更广阔的天空。2012年,王伟创办了傲翼飞控智能科技有限公司。彼时,国内的无人机市场刚展现爆发前的曙光。   就在王伟雄心勃勃地投入科研转化时,远在日本的福岛核电站事故却和他产生了意想不到的联系,打断了公司发展的进程。   2012年,距离福岛核电站事故已经一年多。核电站内是什么情形?事故处理专家迫切需要核电站内的影像与地图资料作为研判参考。然而,核辐射阻断了人员的进入,专家们想到了无人机。可是,一个技术困难横亘在专家面前:核电站内没有GPS信号,建筑情况复杂,无人机无法实现室内自主飞行。   解决这个技术困难的任务又一次落到了野波健藏的实验室。急需用人的时刻,野波健藏向王伟发出了召唤。   王伟与团队所要做的,是让无人机进入受损的核电站内自主飞行,并实时采集图像及辐射强度信息传回。   一架无人机在飞行时需要通过搭载的惯性导航系统、摄像头或者激光雷达研判自身的飞行姿态、避障等,相当于人通过眼睛与耳朵接受外界信息。但是当无人机进入昏暗的室内,对光线要求较高的摄像头可靠性急剧下降,复杂的建筑环境也会对激光雷达产生回波干扰,再加上GPS信号的丢失,不要说完成测绘地图的任务,无人机自身的安全飞行都难以达到。   通常的解决办法是给无人机增加传感器,让无人机更加敏感,这点容易做到。关键在于传感器增加后,飞控系统接收的信息成倍增长,采用哪些信息?排除哪些干扰?飞控系统这个指挥部需要做出精确判断。否则,大量的信息不仅会让飞控系统“头大”,一个不小心就是“电站葬机”。   王伟领导团队进行了一年多的技术攻关,以SLAM算法为基础,在几十万行代码的实验后,终于实现了预定目标。   2015年,结束两地往来的王伟立即在公司上马了无人机产品。   在泰州兴化的一片农田内,一架无人机轰鸣着旋翼灵巧地在田埂上来回穿行。无人机所到之处,雾化的农药均匀地喷洒在庄稼上。无人机对飞行高度与喷洒药量的精确掌控,好似为每一棵庄稼进行点对点的病虫害防控。这架无人机一次性可以携带6公斤药量,连续作业,一天就能完成近三百亩农田的农药喷洒工作。   这是王伟领导公司推出的主打产品———植保无人机。   经过充分调研,王伟发现,大规模农场耕作模式渐成主流,植保无人机在未来农业的发展中大有可为。近两年的研发,千余次的测试后,植保无人机已经成为公司的成熟产品。   培养学生要在实践中摔打   2017年9月,第一届中国无人机对抗赛在常州溧阳举行,来自北京航空航天大学、上海交通大学等高校和全国各地无人机企业的80多支代表队、近200多位选手围绕无人机拦截、搜寻、模拟应急救援等内容展开角逐。经过两天的“华山论剑”,王伟指导的团队以综合总分第一名的成绩勇夺本届无人机大赛冠军。   2018年10月,王伟团队又在首届江苏省研究生无人机科研创新实践大赛上收获了“空中物流”“障碍规避”“综合奖”等三项第一。   近年来,只要参加比赛,王伟指导的学生团队就能将一等奖收入囊中。   这与王伟培养研究生的思路关系密切。以赛代练、项目实践、队伍传承……在王伟看来,作为对动手能力要求极高的专业,学生必须要经过实践的摔打。   所以,每次面试研究生,王伟总要反复确认学生对自动化研究是否有兴趣。   别看无人机在天上做出各种花式动作十分拉风,真正能实现这一操作的学生都是经过成百上千次的实验练就的。这背后是一遍又一遍地排除bug,甚至是一次又一次地推翻近乎完成的工作。如果没有十足的兴趣战胜枯燥的过程,那么无人机终究只能停留在模型展示阶段。   经过一轮淘汰,能够进入王伟实验室的准研究生们并不能高枕无忧,他们还要闯过“提前实习”关。面试一结束,有初步意向的学生立马被王伟安排进行为期两个月的实习。实习期间,学生可以自主选择操控无人机、组装飞机,或者研究代码。真正感兴趣的学生在此时脱颖而出,成为可塑造的“坯子”。   在王伟的实验室里,螺旋桨、电路板、电池等错落摆放,俨然一派组装车间的模样。这是王伟的研究生们在研一小试牛刀的训练场。研一阶段,学生不仅要完成学校制定的课程学习,还要组团完成无人车、无人船、爬墙机器人等任务,理论与实践相结合,为后面的项目实操打下基础。   在项目实操中,研究生们团队化协同。技术传承中,学生的自主性被进一步激发。经验积累铸造的也是学生的技术自信。   令王伟印象深刻的是,在一次无人机避障的算法训练中,学生的演示飞行总是不能达到预定目标,无人机可以顺利识别障碍,但是飞行速度过快,即便“看”出了面前的障碍物,却依然径直撞了上去。百思不解的学生找到王伟,根据状况描述,王伟断定是程序中的速度优先级有问题。没成想,学生并没有立即采纳王伟的建议,而是对自己的程序十分自信,竟然“质疑”起王伟的判断。   虽然事实证明师父技高一招,但学生的这种自信还是让王伟感到欣慰。   在实战化摔打下,王伟的不少研究生进入企业后能够快速挑起大梁。   “兴趣与热情是学好无人机的基础。实战化培养是锤炼技术的关键。”

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