從山火搜救到災后勘察，時間常常意味著生命。分秒必爭的任務要求無人機在陌生狹窄環境中既要飛得快、又要飛得穩。香港大學機械工程系張富教授團隊在Science Robotics(2025)發表論文“Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”提出了微型無人機的安全高速導航系統-SUPER，實現了20 m/s自主飛行并保證極高的避障成功率，甚至成功繞過直徑僅2.5mm的電線，把“鳥類級”閃避本能帶到現實。
視頻來源: https://www.youtube.com/watch?v=GPHuzG0ANmI
01研究背景
在未知環境中實現“又快又安全”的飛行，目前主流方案仍然存在局限：一些競速類方法大多依賴動捕或事先建圖難以落地；保守規劃算法則為安全犧牲了速度；純視覺輕量系統又受量程、光照和運動模糊限制，難以在高速度下保持穩定感知。
面臨挑戰
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機體敏捷性約束 高速避障需要小尺寸與高推重，但微型飛行器縮小體型后，留給傳感器、計算單元和電池的空間有限，稍有負載增加便可能削弱機動性。
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遠距離精準感知 視覺/ToF 方案有效距離僅數米，難以在數十米外探測細小障礙，三維感知需兼顧“輕量+長距+高精度”。
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速度-安全矛盾 飛得越快，越容易陷入感知盲區，必須在不犧牲速度的前提下提供可切換的安全軌跡。
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機載算力實時性 全部感知-建圖-規劃環節需要在嵌入式平臺內保持子模塊毫秒級延遲。
02 技術亮點
該研究圍繞上述核心難點，提出了具備高機動性、遠距感知、快速反應與安全保障的一體化系統-SUPER。
圖片來源：Ren 等，《Science Robotics》（2025），論文“ Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”
高敏捷無人機平臺
研究團隊設計了一款緊湊型四旋翼無人機，軸距280mm，起飛重量1.5KG，推重比超過5.0，具備快速轉向和機動飛行能力，滿足高速飛行所需的高敏捷性。
圖片來源：Ren 等，《Science Robotics》（2025），論文“ Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”
遠距離精準感知
SUPER搭載Livox MID360（三維激光雷達），具備 70米測距能力與厘米級精度，可在林間或夜間等低光照環境中穩定工作，并搭載FAST-LIO2算法，融合 IMU和激光雷達數據，實現高精度、低延遲的自主定位與感知。
點云地圖優化
SUPER引入基于滑動窗口的時空點云地圖(spatiotemporal point cloud map)表示環境狀態：
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可直接在點云上區分已知與未知空間，擺脫傳統OGM/ESDF的射線投影開銷；
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利用時間戳機制識別動態障礙并剔除；
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地圖更新延遲僅1-5ms,適配高速重規劃需求；
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能有效保留細小物體的點云特征。
雙軌跡規劃框架
SUPER采用雙軌跡規劃框架，在每次重新規劃周期中同步計算兩條軌跡：
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探索軌跡：同時覆蓋已知和未知區域，盡可能提高飛行速度；
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備份軌跡：嚴格位于已知安全區域內，確保即使規劃失敗時也能安全飛行。
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通過 MINCO可微多項式模型聯合優化軌跡形狀、時間分配與切換時機，端到端優化耗時控制在10–47 ms。
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相較于 Bubble、Raptor 和 Faster 等方法，SUPER 在仿真中任務失敗率降低 35.9–95.8 倍,平均飛行速度更高，成功率高達 99.63%。
圖片來源：Ren 等，《Science Robotics》（2025），論文“ Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”
03 實驗測試
森林飛行測試
驗證SUPER是否能在未知、無外部感知輔助環境中實現高速度、全自主、安全飛行。研究團隊在280×90㎡的森林區域進行了8組測試，涵蓋白天、黃昏、黑夜等光照條件。
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SUPER在全部測試中完成全航點飛行任務，成功率100%，未發生碰撞或失控情況；
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在最高速度設定為20m/s時，依然實現穩定飛行，平均定位誤差僅為0.13m。
圖片來源：Ren 等，《Science Robotics》（2025），論文“ Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”
復雜密林目標跟蹤對比實驗
為了驗證SUPER在高密度障礙環境中是否能保持連續自主導航與目標追蹤能力。實驗人員佩戴反光背心，在兩段密度不同的樹林中穿行，部分區域需低頭彎腰通過，用以模擬復雜稠密環境。SUPER與基于視覺導航的商用無人機進行對比測試，評估其在林地中對目標的持續跟蹤與自主導航能力。
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商用無人機在進入密林后兩度中斷跟蹤并自動退出自動模式；
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SUPER依托點云地圖與激光識別功能，全程完成對跑動人員的連續跟蹤，表現出更強的環境適應力與路徑規劃能力。
圖片來源：Ren 等，《Science Robotics》（2025），論文“ Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”
細小障礙物避障實驗
為了驗證系統能否精準探測和避讓微小目標，尤其是難以識別的電線類障礙。研究人員設置直徑從30mm到2.5mm的電線類障礙，驗證SUPER的感知與避障能力。
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SUPER成功識別并避開所有障礙物，包括最細的2.5mm電線；
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商用無人機僅避開30mm電線，其余均發生碰撞，表明視覺深度估計在細目標感知上的劣勢。
圖片來源：Ren 等，《Science Robotics》（2025），論文“ Safety-assured High-speed Navigation for MAVs”
04 未來展望
未來，SUPER有望在傳感器輕量化、系統并行優化與動態障礙處理等方向持續演進，進一步提升其環境適應能力。更小型的激光雷達與優化的氣動設計將增強平臺的機動性與穩定性；結合動態目標識別與軌跡預測算法，有望提升其在復雜動態環境中的安全性。
憑借“高速+安全”的特性，SUPER展現出在災后搜救、巡檢與低空運輸等任務中的應用潛力，正朝著全天候、全場景的智能飛行系統邁進。
資源速遞
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ado6187
開源代碼：
https://github.com/hku-mars/SUPER
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