西湖大学突破无人机近距离协同作业技术，解锁空中作业新场景

近期，西湖大学工学院赵世钰团队开发了一种新型空中作业机器人系统——飞行工具箱（FlyingToolbox）。他们结合多旋翼无人机与高自由度机械臂，在国际上突破性地实现了竖叠飞行条件下，亚厘米级精度的空中工具交换和操作任务，为无人机近距飞行的操控难题提供了一种新的解决方案。

（来源：西湖大学）

此前，无人机领域的大部分认识是：由于风扰等因素会造成安全隐患，无人机近距离竖叠飞行是危险且应该避免的。但是，该工作反其道而行之，突破了人们的常规认识，让“不可能”变成了“可能”。

该技术有望解锁空中需要紧密配合作业的场景，例如无人机空中换电、材料补给、喷涂材料、高空建筑清洁等。目前，该团队已将技术的相关代码和机械设计开源，希望帮助更多科研人员在这项研究基础上，开发出更有趣、更复杂的空中协同作业系统。

图丨赵世钰教授团队（来源：西湖大学）

近日，相关论文以《近距离竖叠无人机协同操作》（Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones）为题发表在 Nature[1]。西湖大学副研究员曹华姿是第一作者，赵世钰担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

受蜂鸟采蜜灵感启发，让无人机也能空中精准对接

当下，无人机多被用于空中拍摄以及载物或载人。而空中作业机器人除了具备六个自由度的刚体机身之外，还具有高自由度机械臂等结构，可执行空中作业任务。

但问题在于，单一机器人往往难以完成复杂的空中作业任务。在综合考虑成本、便捷性和安全性等因素后，研究团队决定使用多个小型的旋翼无人机，通过协作来完成复杂作业任务，而不是使用单个“巨无霸”无人机。

这项研究源于赵世钰异想天开的一个想法。当时，他看到蜂鸟在空中对接花朵采蜜的行为：蜂鸟在空中飞行，花朵也一直在动，但蜂鸟却能很好地把嘴伸到花蕊中。受此启发，他提出，是不是无人机也可以做类似的空中对接呢？

对接精度比现有系统提升约 1 个数量级

基于此，研究团队研发了一套 FlyingToolbox 系统，其核心模块包括控制算法、高自由度机械臂和工具箱。

赵世钰对 DeepTech 解释说道：“这里机械臂的作用是将工具‘拿’出来或者‘放’回去。我们还可以引入更多无人机，这种工具箱的作用类似于空中航母或空中加油机。它可在空中悬停，然后不同的无人机可按序飞来选取不同的工具，来完成长序列、多场景的复杂的任务。”

该系统实现了亚厘米级的空中精度对接，这背后离不开研究团队陆续解决一系列技术和工程挑战。

图丨 FlyingToolbox 系统的组成（来源：Nature）

首先，当两个无人机距离很近（约 0.6 米-1 米）时，上方无人机会在下方产生 13.18 米/秒的气流干扰，此时想实现下方的无人机“纹丝不动”是非常困难的。

为解决该问题，研究人员设计了一种算法，通过多层感知机和高斯模型准确估计强风对下方无人机的扰动，并将这种扰动补偿到对其控制中，为对接的稳定性提供了保障。

另一方面，为实现对接成功和准确，他们还设计了一种柔性电磁对接机构，让两架无人机在即便位姿不太一致情况下，也能稳定对接。

图丨柔性电磁对接机构的结构和原理（来源：西湖大学）

赵世钰指出，这是一项全新的系统，我们并没有太多的经验可参考，只能摸着石头过河。整个系统也是我们在不断摸索中研发出来的，团队在技术、工程方面做了大量工作。

与此同时，研究人员将对接精度与现有的系统进行了对比，相较于现有系统，该系统在精度方面实现了显著提升。

例如，在一个现有类似的工作中，上方无人机下部有吊环，下方无人机上部有钩子，它们的任务是让钩子准确地挂在环上。但由于其没有机械臂补偿，也不是对接的情况，它的精度仅在 6-8 厘米左右。

图丨各种操作工具（来源：Nature）

该研究中 20 次连续对接实验的结果显示，FlyingToolbox 实现了平均 0.80±0.33 厘米的高精度对接。“这相当于在六级强风下，我们的空中作业机器人仍能实现稳定对接，精度比现有系统提升了约 1 个数量级。”赵世钰表示。

终将科幻的想象变为现实

西湖大学智能无人系统实验室（WINDY Lab）的主要研究方向包括群体智能和空中作业机器人。群体智能主要聚焦于机器人之间如何协调的问题；而空中作业机器人则横跨低空经济和具身智能两大领域。

“在我们近三年的科研攻关过程中，我们克服了太多的困难。在我看来这个研究如果失败是很正常的，而获得成功是偶然的。”赵世钰不禁感慨道。

图丨机械臂与末端工具的对接过程（来源：Nature）

转折发生在 2023 年底，研究团队在经历无数次失败和反复调整后，第一次实现对接成功。当时，赵世钰在实验室的微信群中留言：“我们终于把科幻的想象变成了现实。”后来，又经过近一年的优化和打磨才完成了投稿，成果最终登上了 Nature。

“尽管目前无人机的产业化已比较多，但空中作业机器人的产业化相对较少，我们的研究也为相关产业打了一针‘强心剂’。”赵世钰表示。据了解，该团队有产业化的计划，他们希望将空中作业机器人技术在工业界落地。

在接下来的研究阶段，该团队将同时推进“向上”和“向下”两个方面。具体而言，“向上”更偏向于科研，他们以打造更敏捷、更稳定、更高精度，执行更多样操作的机器人为目标；“向下”是推动技术落地，旨在以满足用户需求为导向，实现更好的落地。

参考资料：

1.Cao, H., Shen, J., Zhang, Y., Fu,Z., Liu,C., Sun,S., Zhao,S. Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09575-x

排版：刘雅坤