在近几年时间里，无人机技术飞速发展，应用领域不断扩展，从农业植保到星际探测，从极地科考到古生物搜寻，无人机的身影都无处不在。而在此领域，中国无人机技术的发展速度令人瞩目，以惊人的速度领跑全球，进入世界先进行列。2024年9月27日，当万架无人机如群星般点亮深圳夜空，为祖国75周年华诞献礼时，我们看到的不仅是科技与艺术的交融，更是中国无人机技术登顶世界的缩影。

然而，在复杂环境下的自主导航、拒止场景中的精准定位、高机动飞行的安全控制等方面仍存在诸多挑战。香港大学机械工程系长聘副教授张富，以其“自主无人机与多模态定位建图”为核心研究方向，致力于利用激光雷达全方位地提升无人机的规划、定位和建图性能，为无人机更广阔的实用化构建深厚的技术基础，为国家未来的低空经济产业蓝图添上重要一笔。

结缘自动化 探索无人机

2007年，张富来到中国科学技术大学，在自动化系的学习中打下了坚实的数理基础。‌2011年，张富远赴美国加利福尼亚大学伯克利分校求学，在导师的指导下，专业水平不断提升，科研能力也不短成长。他深谙“工欲善其事，必先利其器”之理，聚焦于控制理论和控制工程，从基础理论到系统设计逐一突破，最终顺利获得控制专业博士学位。也是在博士期间，他开始接触到了无人机。

2014年，张富结束博士学业回国后，直接进入香港科技大学电子与计算机工程学系，跟随机器人与自动化领域著名专家李泽湘教授，并在其创办的自动化技术中心和机器人研究所担任助理教授，负责垂直起降无人机项目。李泽湘教授开辟与发展了机器人在非完整约束环境下的运动规划这一重要学术领域，深圳市大疆创新科技有限公司、东莞市李群自动化技术有限公司等享有盛名的企业皆由其学生创立。

张富表示，无人机和自动化控制有一些相通之处，不过还是需要学习很多新东西，他开始从零学习无人机工作原理，从电机到螺旋桨再到驱动，逐渐成为一名独当一面的科研学者。2018年8月，他开始担任香港大学机械工程系助理教授，并且组建了自己的研究团队——火星实验室，主要开展两个方向的研究，一是无人机，包括设计、导航、规划、控制等;二是基于激光雷达的定位和建图算法研究。

随着激光雷达行业快速发展，他敏锐的目光察觉到激光雷达传感器未来将会成为无人机乃至整个机器人领域非常重要的传感器，因为相比其他传感器，激光雷达可以快速获取周围物体精确位置信息，并实时重建3D世界，相当于机器人的“眼睛”。

2019年，张富带领团队开始研究激光雷达传感器，尤其是激光雷达SLAM系统。视觉和激光雷达SLAM各自存在局限性，而FAST-LIVO系统是整合了激光雷达-惯性(LIO)和视觉-惯性(VIO)的里程计系统，但要实现高效准确的激光雷达-惯性-视觉里程计(LIVO)和建图仍面临四大挑战：一是需高效处理海量激光雷达点云和高分辨率图像数据;二是现有系统依赖特征提取，在弱纹理环境中效果不佳且需大量调参;三是缺乏统一地图管理异构传感器数据;四是需实现像素级精度的姿态估计，对硬件同步和校准要求极高。

2021年，张富团队推出FAST-LIVO2系统，采用误差状态迭代卡尔曼滤波器(ESIKF)的紧耦合框架高效融合激光雷达、图像和IMU数据。系统创新性地利用单一体素地图：激光雷达更新时直接配准原始点云构建几何结构;视觉更新时复用激光雷达点作为视觉特征，避免传统特征提取流程。为提高精度，系统动态更新参考图像块并利用激光雷达平面先验;为提升效率，基于激光雷达点智能选择可见特征点，并支持按需体素射线投射。此外，系统还能实时估计曝光时间以适应光照变化。他们这一设计显著提升了系统的计算效率和环境适应性。

研发“脉冲星” 创新向未来

张富的科研成果绝非“纸上谈兵”，而是直指国家战略与民生需求，他作为负责人承担香港通用研究基金多项，并与华为云、大疆创新、中国电子科技集团公司等知名企业均有研究合作，推动科研成果从实验室走向产业一线，应用于实际中，产生了良好效益，真正实现了“研以致用”。

2023年，张富和团队成功设计研发了一种利用动力飞行而不需要驱动雷达传感的无人机，名为“脉冲星”(PULSAR)。其具备感知及建图等多种功能，就像是把科幻电影《普罗米修斯》中，人类利用自旋探测器实时构建洞穴的三维地图的场景成为现实。之所以将其命名为“脉冲星”，张富介绍是因为它的自旋运动和激光雷达光束的扫描模式，与天文学上的脉冲星在直觉上十分相似。

“脉冲星”配备了微型机载计算机和激光雷达，实现了完全自主的感知、建图、规划和控制，无论在室内还是室外环境都不需要外部设备辅助，它的单执行器用于驱动无斜盘机构，可以同时产生推力和力矩。通过在环境探索和多方向动态避障方面的实验，显示其可以在不依赖任何外部设备辅助的情况下，在未知环境中执行自主导航并且实时探测环境中的静态和动态障碍物。

“脉冲星”还可以在夜间进行全自动导航，航行性能不受光照条件的影响。此外，它能应对外部风扰。在最大风速每秒4.5米的风扰下，“脉冲星”仍能够维持悬停位置于一个小范围内。这些特性使飞行器在野外环境中更加安全及稳定。

除了上述能力外，“脉冲星”与具有相同桨叶面积和载荷的四旋翼无人机相比，它能够节省26.7%的能量消耗，同时保持良好的灵活性。由于使用了单执行器，脉冲星的动力系统具备了更高的能量转化效率，使整体效率达到了6.65克每瓦。仅凭借直径只有37.6厘米的螺旋桨和容量为41瓦时的小容量电池，这个重量为1200余克的无人机实现了超过12分钟的悬停时间。如果卸下激光雷达并安装更大的桨叶和电池，“脉冲星”的悬停时间更能超过40分钟，未来将在搜索救援、洞穴勘测和建筑绘制等领域中发挥日益重要的作用。

在教育方面，张富亦收获颇丰，他承担本科生、授课型研究生课程多项，教学效果良好，受到学生广泛好评。他主讲《自主机器人系统》课程，以“理论-仿真-实践”三维融合，被学生誉为“通往未来的钥匙”。现已培养博士毕业9名、研究型硕士毕业3名，毕业生除了创立有影响力的科技企业，还在国内知名高校任职、前往国外知名大学任职博士后、在国内顶尖公司任职等。他也因突出贡献屡获荣誉：包括2023年智能机器人与系统国际会议(IROS)最佳机器人机构及设计奖、T-MECH 2022年度最佳论文奖提名、IROS 2023最佳会议论文奖提名(2项)、ICRA 2023杰出导航论文奖提名等。

未来已来，脚步不息。此前承担的多项研究基金已结题，与企业的合作研究项目也已交付。现在，张富正率团队攻关三大前沿方向：在无人机设计方面，进行单执行器尾座式无人机的研究，其是一种双模态无人机，在结构上引入了机翼，综合了多旋翼无人机的垂直起降优势以及固定翼无人机的飞行效率高、航程远优点;在无人机集群方面，推进复杂场景下的多无人机自主探索研究，充分利用多无人机的集群特性和高机动特性，针对大范围复杂场景进行分区快速建图，实现现场态势的迅速感知;在定位建图方面，研究全新的视觉-激光雷达联合建图优化方法，在大幅降低计算复杂度的前提下实现大规模场景下的全局、高效、一致、高精度彩色点云建图。

玉兰花开乘风起，深耕科研绩蓬勃。张富和他团队书写了中国无人机技术的壮丽诗篇。他带领团队在港大这片科创沃土上，创新研发技术，培养优秀人才，立足国家需求，建设科技强国。

未来，他将继续以“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”的豪情，在自主无人机领域深耕不辍，探索研发更多不同的无人机构型。苍穹无垠，智驭不息;匠心所至，天机可绘。(文/王依)

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