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港大SUPER LiDAR无人机实现20米/秒高速安全飞行

  • 2025年05月28日 00:04
  • 来源:香港大学官网
  • 点击:35 次
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【导读】香港大学张富团队研发的SUPER LiDAR无人机系统,通过激光雷达感知与双轨迹算法创新,在复杂环境中达成20米/秒高速飞行与100%避障率。系统配备70米探测距离雷达和5.0推重比硬件,支持应急救援、基础设施巡检等场景应用,其时空滑动窗口机制和全天候作业能力为低空经济产业开辟新技术路径。
            

香港大学张富团队突破无人机自主导航技术:SUPER LiDAR重新定义高速安全飞行边界

香港大学张富教授团队开发的SUPER LiDAR无人机系统,通过激光雷达感知技术、双轨迹规划算法与高敏捷性硬件设计的深度融合,成功实现了无人机在复杂未知环境中20米/秒高速飞行100%安全避障的双重突破。这一成果不仅刷新了自主无人机性能的极限,更开启了低空经济产业的技术新纪元。


一、技术突破:改写无人机能力边界

  1. 极简硬件设计
    SUPER的机身设计以轴距280毫米(仅为大疆Mavic 3的74%)、起飞重量1.5千克的紧凑构型,搭载四台高推重比电机,总推重比突破5.0(远超F35战斗机的0.87),赋予其急转弯、快速加减速等类鸟机动能力。
    核心优势:微型化与高推重比的矛盾化解,为高速飞行奠定物理基础。

  2. 激光雷达感知革命
    配备Livox MID360固态激光雷达,实现70米探测距离20万点/秒的扫描频率,可检测直径2.5毫米的细电线。相比传统视觉传感器3-5米的探测范围,该技术将反应时间延长至3.5秒(以20米/秒飞行速度计算),显著提升安全性。
    创新点:通过时空滑动窗口机制动态更新环境模型,避免移动障碍物遗留“幽灵地图”,在人员随机移动场景中仍保持100%避障成功率。

  3. 双轨迹动态切换算法
    首创探索性轨迹与安全轨迹并行生成机制:

  4. 探索轨迹:通过多阶段多项式参数化优化飞行路径,最大化速度潜力;
  5. 安全轨迹:基于已知无障碍区域生成备份路径,确保紧急状态下无缝切换。
    实测数据:在随机生成的3D森林仿真环境中,SUPER的失败率较传统规划器降低35.9-95.8倍,平均飞行速度提升40%以上。

二、核心技术创新解析

  1. 感知-决策-控制闭环优化
  2. 感知层:采用FAST-LIO2激光惯性里程计,以200Hz频率输出高精度位姿,实现厘米级环境建模;
  3. 决策层:引入梯度优化(L-BFGS求解器),同步优化轨迹空间形态与时间分配,解决高速下的时空耦合难题;
  4. 控制层:设计最优控制模块,支持毫秒级动态响应,即使在4.5米/秒强风干扰下仍能稳定悬停。

  5. 全天候作业能力
    激光雷达的主动探测特性使SUPER彻底摆脱光照限制。实验显示,其在黑暗室内、密林夜间等场景中,对藤蔓、树枝等细小障碍物的避障成功率保持100%,这一特性在搜救、极地科考等领域具有不可替代价值。


三、产业化应用场景

  1. 应急救援
    可穿越倒塌建筑或密林,通过实时三维建图定位幸存者,并投递医疗物资。团队已在模拟灾区完成多目标跟踪测试,SUPER展现12分钟悬停续航与41瓦时电池的高效能源利用率。

  2. 基础设施巡检
    针对电力线、输油管道等场景,SUPER的毫米级障碍检测精度与70米探测范围,可替代人工完成高危环境巡检,降低90%以上作业风险。

  3. 低空经济新业态

  4. 考古勘探:自主构建古遗址三维地图,避免传统勘探对文物的破坏(如中美洲玛雅遗迹勘察案例);
  5. 精准农业:结合激光雷达高程数据,优化农田灌溉与施肥路径,提升资源利用率。

四、技术里程碑意义

张富团队通过“硬件构型创新+算法范式突破”的双轮驱动,解决了自主无人机领域三大核心矛盾:
1. 速度与安全的平衡:双轨迹机制实现“鱼与熊掌兼得”;
2. 感知精度与计算负荷的冲突:原始点云直接处理技术降低70%算力需求;
3. 微型化与续航的悖论:单执行器设计使能耗降低26.7%,悬停时间突破40分钟。

该成果发表于《Science Robotics》的论文《Safety-assured high-speed navigation for MAVs》,被学术界评价为“重新定义了自主系统的环境交互范式”。随着固态激光雷达成本下降,SUPER技术有望在2026年前实现规模化商用,催生万亿级低空经济市场。


参考文献
: 香港大学张富团队FAST-LIO系列算法研究(2025)
: “脉冲星”单旋翼无人机能效突破(2023)
: SUPER系统硬件设计与避障性能实验(2025)
: SUPER算法架构与仿真验证(2025)
: 激光雷达在考古与农业的应用案例(2017-2025)
: SUPER全天候作业能力实测数据(2025)

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