圖6呈現了一項更具挑戰性的任務——無人機執行動態穿環飛行實驗。通過向CoNi-MPC輸入預先規劃的8字形航跡，四旋翼無人機能夠順暢地連續飛越固定于無人車（松靈Scout Mini）平臺側面的四個圓環，圓環直徑僅為機身寬度的兩倍左右，每次穿越圓環時無人機兩側僅留有100mm左右的空隙。與此同時，無人車沿著世界坐標系中的S形軌跡行駛。

圖6. 穿環飛行實驗。無人車的平均移動速度為0.15 m/s，最大速度為0.38 m/s，無人機可穿越飛行過其上所附的圓環。(a) 表示穿環飛行的實際過程；(b) 表示無人車非慣性系中無人機所跟蹤的8字軌跡；(c) 表示無人車非慣性系中無人機實際飛行軌跡。

借助CREPES系統，研究人員還在室外環境中進行了實驗，其中無人車通過遙控隨機運動，而無人機則跟蹤圓形軌跡飛行。值得注意的是，完成這一任務并未借助GPS/SLAM/固定基站等定位技術。圖7展示了跟蹤過程的一系列實驗結果。

圖7. 室外實驗。(a) 表示無人車第一視角觀察到的無人機飛行軌跡，(b) 是從第三人稱視角拍攝得到的無人車和無人機實際運動軌跡。(c) 展示了在室外實驗中使用的CREPES設備。

實驗結果驗證了該控制器的卓越魯棒性和出色的跟蹤性能。展望未來，此種方法有潛力被拓展應用到多智能體編隊控制領域，以及執行更為復雜和要求更高的協同任務中。

此外，為了進一步拓展空地協作的應用形式，研究人員還提出一種高效、獨立的空中集群無人機和地面自主機器人協同系統。旋翼無人機以一系列固定點為參考狀態進行懸停飛行，由相對于地面機器人旋轉的非慣性系充當中介，間接達成環繞跟蹤的目的，無需預先規劃連續軌跡，從而簡化了系統設計與實現，其效果如圖8所示。

圖8. 旋翼無人機集群環繞跟蹤協同控制實驗結果示意圖

研究貢獻

該研究開創性地展示了僅借助相對位姿估計信息和移動目標IMU數據，就能實現無人機與無人車（松靈Scout Mini）之間的復雜交互技術。

其研究貢獻包括：

1. 通過非慣性參考系中對旋翼無人機進行完全建模，設計了一套新穎的空地協作運動控制系統框架CoNi-MPC，并采用非線性模型預測控制（NMPC），實現了對無人機與移動目標間相對運動的精確操控。此系統架構的一個顯著特點是，它不依賴于在世界系中的絕對狀態和運動估計，即無需GPS和SLAM定位技術，從而簡化了交互所需的數據輸入和傳感器要求。

2.建立了一種旋翼無人機在非慣性系下的相對運動模型，將與移動目標相關聯的動態因素進行歸納整合，并利用來自移動目標機體坐標系的IMU數據進行替代。這一策略有效擺脫了對移動目標運動模型的依賴，無需其運動模型作為先驗信息，增強了該方法在現實環境中的實用性和可行性。

3. 所提出的CoNi-MPC控制器是一個通用的空地協作控制框架，可輕松支持無人機與移動目標之間的多種協同交互式任務，包括定點跟隨、環繞跟蹤、定向降落、穿環飛行等。該控制器具有較高的跟蹤精度，無需連續軌跡重規劃環節的參與，顯著提升了協同控制的效率和可靠性。

松靈機器人成立于2016年，是全球領先的機器人底盤制造商和移動機器人系統解決方案服務商。目前，松靈機器人已經擁有多款適用于不同地形的室內外移動機器人底盤，在載重、續航、速度、運動模式等不同需求場景下實現全矩陣覆蓋。同時，松靈機器人還推出了自動駕駛解決方案，平行駕駛解決方案，機器人科研教育套件等移動機器人底盤配套產品，幫助客戶在自動駕駛、機械控制、計算機、車輛等領域完成實驗驗證。

憑借領先的研發技術，松靈機器人已經與包括阿里巴巴、華為、本田、中建三局在內的30多家行業領軍企業，以及中科院、清華大學、南方科技大學、北京理工大學、新加坡國立大學、紐約大學等國內外50多所頂尖學府開展了深度合作。