北京时间9月24日23时，无人机技术发展的一个世界级卡点得到突破——西湖大学工学院赵世钰实验室研发了名为FlyingToolbox（飞行工具箱）的空中协同操作系统，在国际上首次完成多架旋翼无人机的空中工具交换，实现了“叠式”飞行状态下的高精度协同作业。该项研究成果发表于最新一期国际学术期刊《自然》。这也是中国在多旋翼无人机领域的研究成果首次登上《自然》。
日常生活、生产中，无人机扮演着重要角色。但大家可曾发现，这些无人机可单飞、可群舞，却几乎没有两架无人机能像“叠罗汉”一样上下叠飞？赵世钰解释：无人机交叠时会产生强烈的气流干扰，极易出现“翻车”事故，更不用提精准作业。“飞行工具箱”的核心亮点在于，成功解决了无人机近距离飞行与高精度操作不可兼得的关键技术难题。
这套系统由一架工具箱无人机和一架操作无人机组成。工具箱无人机能携带多种不同类型的末端执行工具，如爪子、剪刀等，可以想象为装满各种手术器械的托盘；操作无人机是拥有可伸展机械臂的“操作手”，可以想象为主刀医生。工作时，操作无人机飞到工具箱无人机上方，灵活拾取各种工具，完成任务后放回原处，再换一个工具接着手术。
其中，最大的挑战是克服竖叠式飞行时的下洗气流，在强风中实现高精度空中对接。据测算，要确保无人机对接成功，机械臂底部与工具箱顶部之间的水平位移必须小于1.5厘米，也就是上方操作无人机的底端与下方工具箱无人机的顶端之间偏移不能超过“一指半”。
为了破解难题，研究团队研发了三个“黑科技”核心模块：
柔性电磁对接机构。这是一个在接触时会自动“吸附”的电磁智能接口，大大提升了对接精准度。当工具箱无人机收到操作无人机发出的对接信号，其顶部的电磁芯片就会通电、产生磁力，与后者的锥形凹槽借由磁力吸附。团队还创新使用数条橡胶材质的弹性系绳作为柔性电磁对接装置的连接，让对接更具“弹性”，哪怕有稍许姿态偏移，也能保证对接成功。
气流扰动估计与补偿方法。在工具箱无人机的电脑中，预先植入一个模型可实时预测操作无人机下方任意位置的气流速度。有了气流速度，结合两台无人机的相对距离，就能利用神经网络估计出上方无人机所产生的气流对下方无人机的影响，进一步对下方无人机的飞行作出调整。
高精度对接与操作控制技术。操作无人机上搭载着相机，工具箱无人机的顶部贴着10多个带有不同信息的二维码，当上方的无人机“看”到一定数量的二维码，就能判断这一刻两机的相对距离，从而移动。下方无人机根据上方气流的情况，实时调整本机6个旋翼的旋转速度，从而抵消下洗气流的影响，实现精准的位置及姿态控制。
“‘飞行工具箱’就像一个‘空中乐高平台’，未来通过模块化、可扩展的设计，将帮助人类在更高更远的地方完成更复杂更危险的任务。”赵世钰说。
