摘金！这支南开团队敢“问天”，勇“探火”
“我们致力于回应产业命题，写好时代答卷，
聚焦伞翼飞控技术，勇当‘探火’先驱，
这是我们的初衷，
也是我们坚持下去的长久动力。”
这是南开大学
“火星之眼”创新创业团队核心成员
人工智能学院博士研究生郑月敏
在2023年中国国际大学生创新大赛
全国总决赛产业赛道的
答辩会场上的坚定发声
今天，让我们走近
这支“问天”“探火”的南开团队
一起追寻“星辰大海”的足迹
团队在2023年中国国际大学生创新大赛全国总决赛赛场
在2023年中国国际大学生创新大赛上，由南开大学人工智能学院孙青林、郑月阳、孙明玮老师指导，孙昊副教授担任团队负责人的“‘火星之眼’——御风飞行，星辰大海探索先驱”项目凭借出色的表现摘得产业赛道全国金奖，为南开大学收获该项赛事的产业赛道第一金。
团队针对火星环境下伞翼无人机控制器给出解题方案，以期为在火星探测器着陆过程中，采用伞翼无人机环绕探测器进行飞行拍摄提供坚实的“骨骼支撑”与“肌肉动力”。荣誉的背后，是团队成员无数个日夜的辛勤付出和扎实深厚的科研实力。
仰望星空
“火星之眼”团队矢志星辰大海
2021年5月15日，“天问一号”探测器成功着陆火星，首次在火星上留下中国印迹。但过程中“落火”影像缺失，无法为下次“落火”提供参考，且火星车受地形限制，返回信息有限。
无人机技术被认为是解决这一问题的有效手段。美国航空航天局尝试采用旋翼无人机，但受限于火星低温、低压、低重的环境，无人机整体质量仅为1.8公斤，飞行距离仅300米。我国北京空间机电研究所提出期望采用伞翼无人机来代替传统无人机系统，伞翼无人机不仅能承受5公斤以上的负载，而且续航距离超2000米，优势明显。
作为国内唯一从事航天器回收与着陆技术的权威研究单位，北京空间机电研究所在本次大赛中担任产业赛道命题方，提出了一项具有前瞻性和挑战性的命题：设计可满足火星表面飞行的伞翼无人机智能控制系统，研制可深空飞行的伞翼无人机控制系统原理样机；同时还提出动力学建模、控制器设计以及地表可行性测试3项答题要求。
团队动力翼伞，可实现定高飞行
聚焦“火星环境伞翼无人机控制”这一挑战，勇敢“揭榜”，南开团队的底气，来源于十余年来在伞翼无人机控制技术领域的深耕细作，积累了丰富的经验和显著的技术优势。而团队的志气，则根植于对“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国”的执着追求和不渝信念。
目前，团队已完成火星伞翼无人机控制器构架设计制造，并提出包含地表飞行测试、动力学仿真、地面分解测试、真空罐测试以及临近空间测试的五级实验验证方案。团队产品已经实现地表海陆空三军及临近空间全覆盖，下一步将携手命题方登陆火星。同时，命题方基于团队伞翼无人机整体技术提出的备选方案已上报我国“落火”项目总体方入库，团队相关成果是该方案的唯一技术提供方。
脚踏实地
攻克伞翼无人机航迹跟踪控制难题
“团队敢于揭榜该命题的核心优势在于我们是国内唯一能实现精准航迹跟踪的自主控制器提供方。可以说，我们的自主控制技术，为落火拍摄探测装上了‘骨骼’和‘肌肉’。”郑月敏介绍。
然而，伞翼无人机在火星环境下的飞行特点与地球上的无人机有所不同，面对火星探测特有的环境，团队在项目前期进行了大量的调研和技术准备，通过研究火星的地形、气候条件以及已有的火星探测器等信息，深入了解了火星探测的挑战和需求。
火星流场环境仿真
火星切面速度云图
基于对伞翼无人机技术和火星环境的探讨和分析，团队尝试设计出适应火星环境的伞翼无人机控制系统，并进行了模拟实验和性能测试。在动力学建模方面，团队提出了基于流固耦合技术的火星动力学仿真方法，模拟了火星大气环境，用来对翼伞的基本运动特性进行分析研究。
火星环境下伞翼无人机硬件系统框架
在控制器设计方面，团队采用基于横纵解耦及风场补偿的自抗扰控制算法，搭配自研火星环境下伞翼无人机智能软、硬件系统，搭建出与火星更“适配”的伞翼无人机智能控制器，完成了伞翼无人机火星飞行科目的地球预演。在实际测试中，轨迹平均跟踪误差低于10米，高度平均跟踪误差低于1米，达到了国际领先水平。
团队成员完成地表飞行实验后合影
真空罐动力测试
此外，团队还设计出“地表控制策略验证-火星环境动力学仿真实验-地面分解测试-真空罐测试-临近空间测试”五级可行性测试流程。
从在山东潍坊开展地表飞行测试，到多次前往专为火星探测设计的宇航真空罐中获取宝贵的低压环境动力数据，团队成员经历了半年多的艰苦试验。
御风飞行
助力中国印迹迈向更远深空
比赛落下帷幕，“火眼”团队却并未停下研究的脚步。实验室之外，团队通过开办《飞行器导航制导与控制方法技术》课程，为数百名学子传授航天领域专业知识。
在南开大学深圳研究院的支持下，团队以参与火星项目为契机，开展了伞翼无人机技术转化等工作，实现了产学研用一体化发展。团队还积极走进乡土中国，在邯郸大名县等地探索伞翼无人机的农业应用。
团队师生携自研设备参加2023年世界智能大会
“将高自主性能的伞翼无人机送上火星，是我们的最终目标。这一工作在促进科学发展、拓展人类文明以及提升民族自信等方面拥有巨大价值，体现了南开人对于国家科技自立自强的使命感。”团队负责人孙昊表示。
未来，团队将持续助力我国外太空资源探索，为我国深空探测提供可行的无人系统设计和应用方案。
作为产业赛道的金奖得主，团队也将持续推动赛事成果转化与产学研深度融合。
团队指导教师、南开大学人工智能学院教授孙青林说：“团队长期以来一直着眼于解决实际难题，实现产学研一体化融合。参与这次竞赛对团队而言是一个展示自我的机会，一方面肯定了长期以来团队的研究成果，另一方面也激发了团队成员的研究信心和决心。未来，团队将积极贯彻落实创新发展理念，以校企结合为重要支撑，推动科技成果转化，努力培养具备高水平创新创业能力的高端人才。”
NANKAI UNIVERSITY
往期回顾：
来源：南开大学融媒体中心、人工智能学院
记者：刘畅
通讯员：郑月敏
编辑：文迎迎 刘喆萱
审核：吴军辉 郭威 高雨桐