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在Robotics（機器人學）領(lǐng)域，國際機器人技術(shù)與自動化會議（ICRA）是兩大旗艦會議之一，在這里，全球機器人最具創(chuàng)新性的研究成果匯聚一堂?？梢哉f，ICRA在機器人學的地位堪比奧斯卡之于電影界。
近日，一年一度的ICRA在美國費城落下帷幕。本屆ICRA收到來自全球66個國家及地區(qū)的3344份投稿，經(jīng)過嚴格審核最后收錄論文1428篇。根據(jù)導航、自動化等細分賽道特點，今年的ICRA還評選13篇論文作為最佳研究成果進行表彰。其中，美團一篇關(guān)于視覺里程計（VO）和SLAM的研究獲得大會導航領(lǐng)域的年度最佳論文，這也是今年唯一一篇第一作者和第一公司均來自中國的獲獎論文。
據(jù)悉，該篇獲獎論文所闡述的技術(shù)可提升移動機器人、VR/AR等領(lǐng)域的導航定位效率和精度。值得一提的是，美團另一篇關(guān)于視覺慣導（VIO）技術(shù)的論文也被ICRA 2022接收，并且該技術(shù)同樣可應用于視覺定位，幫助無人機在純視覺飛行時提升近3成的定位精度。兩項新技術(shù)后續(xù)都將支持以無人機和自動配送車為代表的新業(yè)務發(fā)展。
獲得ICRA 2022的最佳研究成果獎，證明美團在機器人領(lǐng)域研究能力不俗，但止步于實驗室并不是美團一貫的研究風格，能將技術(shù)快速應用到業(yè)務場景中才是他們真正期待的結(jié)果。
近日有消息稱，剛剛完成升級的美團無人機就飛去了杭州開拓新場景：通過自主飛行能力往返于檢測點與實驗室之間，幫助醫(yī)護人員運輸核酸樣本；而更早之前，這支團隊還在深圳實現(xiàn)了社區(qū)、商圈、園區(qū)等多場景的常態(tài)化試運營，參與到這座城市的日常外賣配送工作。
借著獲獎之機，雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))與該團隊進行了一輪交流，發(fā)現(xiàn)從實驗室到城市，這支不足6歲的隊伍始終在追逐一個問題的答案：如何在中國城市場景下實現(xiàn)高頻短途的自主運行？而套用一句美團人常說的話，“菩薩畏因，凡夫畏果”，探究他們的解題思路，或許能給后來者以更大啟發(fā)。
乘著移動互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的浪潮，過去10年是中國在線外賣市場高速發(fā)展的黃金時期。在2011年至2020年之間，中國在線外賣市場用戶規(guī)模由0.63億人增長至4.56億人，外賣零售業(yè)務范圍也逐漸從餐飲向生鮮、商超、醫(yī)藥等萬物擴容。據(jù)智研咨詢預測，中國在線外賣市場規(guī)模將繼續(xù)保持增長趨勢。而美團期待的外賣結(jié)果是在2025年能夠每天配送一億單，較去年底增長近一倍。
對于提供在線外賣服務的平臺而言，不斷擴展的運送品類使其成為不少用戶的必需品，而基于及時性的需要，中國外賣配送服務整體呈現(xiàn)出高頻、短途的特點：一方面，隨著可滿足的需求越多，用戶下單的頻次越多；另一方面，相對更急切的消費場景，使用戶對外賣的時效性要求較快遞配送會更高，在相對固定的供給分布，以及單位時間內(nèi)運力供給一定的背景下，外賣服務半徑勢必會更短。
所以近年來外賣平臺之間的運力博弈更像是一場刺刀白刃戰(zhàn)，盯著要害直來直去，但鮮有質(zhì)的變化。
大致來看，解決手段可以是高薪招聘增加騎手數(shù)量，但在訂單量暴漲以及人口紅利逐漸消失的背景下，人力始終存在天花板，從人社部最新發(fā)布的百大緊缺職業(yè)也能看出，快遞員和網(wǎng)約配送員目前已屬于供給嚴重短缺的崗位；另一種可能是優(yōu)化調(diào)度提高人效，但這種辦法的天花板就是個體本身，畢竟人力有限。
一面是用戶側(cè)希望配送時間盡可能少，另一面是運力提效的天花板漸近，矛盾之下，美團希望從技術(shù)里找新路。物流無人機是他們想到的一種選擇：利用城市低空場景和新載具的服務能力，配合既有的運力網(wǎng)緩解末端“三公里”的配送壓力并提高服務體驗，甚至還能節(jié)省出人力去服務更有價值的事情。
2017年，美團內(nèi)部開始探索城市低空場景無人機配送的可行性。不過，當時市面上并沒有一款能滿足外賣需求的無人機：美團希望它既有足夠的經(jīng)濟性，同時也能穩(wěn)定安全高效地服務高頻短途配送場景。
于是，美團嘗試自研無人機，以及與之配套的自動化調(diào)度系統(tǒng)、社區(qū)自動化起降機場。
對于無人機配送流程，美團的設(shè)想是：在商家相對集中的區(qū)域設(shè)置一個自動化起降機場，一兩位駐點工作人員承包起將區(qū)域內(nèi)所有商家貨品配送到機場的工作。當貨物放入專為無人機配送設(shè)計的貨箱并固定好后，無人機會在自動化調(diào)度系統(tǒng)的指揮下，根據(jù)用戶設(shè)定的取餐點沿著規(guī)劃航線自主飛行。當無人機抵達社區(qū)起降機場后，自動解鎖貨物至取餐柜等待用戶取走，或是配合樓宇內(nèi)機器人送達家門口。
如果用一句話形容角色分工，無人機是空中的外賣員，自動化調(diào)度系統(tǒng)是調(diào)度員，社區(qū)自動化起降機場是服務員。
而在看似簡單的流程中，如何實現(xiàn)無人機自主安全飛行以及自動化調(diào)度，是其中最大的難題。
美團資深科學家黃國權(quán)教授向雷峰網(wǎng)介紹，美團無人機得以實現(xiàn)自主飛行，主要是具備了高精度高魯棒的導航定位、感知避障、三維視覺建圖和規(guī)劃控制四大能力。其中，魯棒自適應飛控是美團無人機實現(xiàn)安全可靠自主飛行的基礎(chǔ)，美團為此耗費了兩年多時間進行重構(gòu)自研。
無人機的感知能力，主要通過立體環(huán)繞機身的攝像頭及數(shù)顆毫米波雷達，輔以自建的3D高精地圖實現(xiàn)。目前，面向未來全天候全天時的無人機配送，美團也在積極探索其它新型傳感器，以期進一步提升多源融合精度和可靠性，而此次獲ICRA 2022最佳導航論文的研究成果也是服務于此。
此外，為了保證無人機的穩(wěn)定性及安全性，美團為一架無人機配備了6個電調(diào)、6套螺旋槳和6個電機，構(gòu)成6個獨立動力總成，確保有足夠的冗余能力降低因單個零部件損壞而帶來的風險。
美團無人機自主飛行配送訂單
不過，除了自身搭載較多傳感器以及冗余設(shè)備之外，無人機還需額外承受餐盒重量，這是否會影響其飛行的安全性和穩(wěn)定性？
對此，黃國權(quán)解釋，美團無人機在設(shè)計時就以高集成度為出發(fā)點，在保證安全穩(wěn)定運行的前提下，以克為單位不斷試驗，逐漸減少PC板和元器件的重量，乃至通過調(diào)整布線和螺絲選擇的方式減重。
當單架無人機具備自主飛行能力后，接下來的目標是由點及面，確保更多無人機在一個小范圍區(qū)域內(nèi)協(xié)同作業(yè)時，依然能夠有條不紊地高效安全飛行。
在專業(yè)人士看來，用遙控器指揮一架無人機配送，和全自動化系統(tǒng)調(diào)度多架無人機運送，之間的技術(shù)難度相差至少是3-4個數(shù)量級。同時從全球來看，無人機全自動化系統(tǒng)背后的科技含量，可以說是處在這個領(lǐng)域的珠峰峰頂。
為了讓無人機能夠穩(wěn)定協(xié)同作業(yè)，美團專門打造了一套空中調(diào)度系統(tǒng)（UTM），配合自動化調(diào)度系統(tǒng)為服務區(qū)域內(nèi)的無人機自動規(guī)劃航線，安排派送任務。
美團UTM系統(tǒng)工作狀態(tài)
而與傳統(tǒng)外賣調(diào)度系統(tǒng)固定派送路線的設(shè)計思路不同，考慮到無人機配送可能出現(xiàn)航線占用的情況，新系統(tǒng)加入了實時重新規(guī)劃航線的功能，確保整體效率最優(yōu)。
黃國權(quán)還進一步分析稱，空中調(diào)度系統(tǒng)的真正難點在于算法和工程兩個方面：
算法方面，當城市低空無人機配送真正走入生活時，美團可能就要面對每天超百萬筆的無人機配送訂單，這就要求系統(tǒng)必須在高并發(fā)情況下，快速得到最優(yōu)決策規(guī)劃，解決大規(guī)模調(diào)度優(yōu)化問題， “而這個快速的概念一般就是幾百毫秒”。除此之外，無人機在自主飛行過程中會受到天氣、空域、地理環(huán)境等因素變化影響，也會大幅增加實時規(guī)劃調(diào)度的難度。
工程方面，無人機飛行會涉及到監(jiān)管問題、信息安全問題、與其它無人機和地勤人員通訊及交互問題等，并非僅通過技術(shù)即可解決。這些問題的復雜程度甚至堪比現(xiàn)實生活中的民航系統(tǒng)。
盡管業(yè)務規(guī)模還未達到日均百萬單的水平，但黃國權(quán)他們希望能最先按照這個思路，打造出一套標準的空中調(diào)度系統(tǒng)供行業(yè)參考，推動整個城市低空經(jīng)濟的發(fā)展。
發(fā)展城市低空經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，當然不會只限于產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)部。
根據(jù)飛行高度，國內(nèi)無人機可分為低空無人機（100米-1000米之間）、中空無人機（1000米至7000米之間）、高空無人機（7000米至18000米之間）以及超高空無人機（高于18000米）。美團無人機的主要工作環(huán)境，大約在100米附近。
而按照主流應用場景進行劃分，無人機還可大致分為航拍、植物保護、電力巡檢、環(huán)保檢測等專業(yè)無人機。但相比城市低空場景，上述無人機的作業(yè)環(huán)境確實會更簡單，且對飛行安全性的挑戰(zhàn)更低。
具體而言，上述無人機飛行環(huán)境大多位于郊區(qū)及空曠場所，周圍人類活動少，無人機受到的影響就少。而移至城市內(nèi)，復雜的建筑物分布以及密布的人群，都會讓無人機的飛行難度成指數(shù)級增長。所以行業(yè)側(cè)公認，在無人機所有的應用場景中，城市低空物流是最難的。
極低的飛行高度以及復雜的城市環(huán)境，為美團的無人機配送發(fā)展帶來不少挑戰(zhàn)，而結(jié)合業(yè)務特點，團隊目前給出技術(shù)對策主要是強化避障能力和自主迫降能力。
避障能力方面，美團首先考慮的是因區(qū)域內(nèi)訂單暴漲，導致大量無人機同時密集飛行的情況。如對此不加干預，極易導致同一航線內(nèi)發(fā)生無人機碰撞。為了避免此類情況發(fā)生，除了為無人機增加實時重新規(guī)劃航線的功能外，美團還為每架無人機設(shè)置了一個“時空膠囊”。
時空膠囊，即為調(diào)度系統(tǒng)所處的三維空間加入時間參數(shù)。目前，美團會根據(jù)無人機實時飛行狀態(tài)，設(shè)置導航誤差、控制誤差等參數(shù)，將綜合誤差范圍作為每架無人機飛行的安全區(qū)域，將無人機當前位置、幾秒前及幾秒后所在的位置以一顆膠囊的模樣呈現(xiàn)，只要同一時間內(nèi)膠囊之間不互相重疊，就能避免碰撞事故。
至于自主迫降能力，美團內(nèi)部稱之為“安全降落”功能。盡管已為無人機配備多套安全冗余設(shè)備，但在實際飛行過程中，可能因一些特殊原因需要在未知場景進行臨時迫降。結(jié)合各種可能的需要，美團在兩個月前完成了這套“安全降落”功能的開發(fā)，在穩(wěn)定性及安全性方面都有所突破。
降落傘打開狀態(tài)的美團無人機
比如為了防止迫降時餐盒掉落，設(shè)計師在無人機與餐盒的連接處加裝懸掛鎖定，只有在停止飛行時才主動解鎖放開貨物；至于在迫降過程中，無人機會通過自身機器視覺感知、對環(huán)境的實時三維建圖，以及自主動態(tài)路徑規(guī)劃等能力選擇降落點，盡可能降落在安全地帶；此外，即便無人機出現(xiàn)故障從空中掉落，無人機的最后一重保護——由中國航天508所研發(fā)的降落傘將最大程度降低無人機的降落速度，保證地面人員及財產(chǎn)安全。
美團無人機系統(tǒng)架構(gòu)師陳天健還告訴雷峰網(wǎng)，無人機在運營狀態(tài)下目前未出現(xiàn)“炸機”情況，只在測試狀態(tài)下出現(xiàn)過少量故障。長期以來的安全飛行主要得益于美團常在動力受損、槳葉斷裂等極端情況下測試無人機穩(wěn)定性，而這一測試次數(shù)更是超過了40萬架次。
盡管做好了一切能想到的技術(shù)保障，但實驗室與城市之間的壁壘不只限于技術(shù)本身，真實落地仍會有許多其他挑戰(zhàn)。
據(jù)雷峰網(wǎng)了解，美團無人機業(yè)務目前已在深圳、杭州等城市實現(xiàn)真實場景落地，其中在深圳的常態(tài)化試運營更是超過了一年。
而回憶選擇率先在深圳提供無人機配送服務的原因，大家直言與深圳優(yōu)越的政策環(huán)境及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相關(guān)。
近年來，深圳被譽為“無人機之都”，當?shù)卣缭?019年就出臺了《深圳市民用微輕型無人機管理暫行辦法》，成為國內(nèi)第一個科學管理無人機的城市。
隨后出臺的《深圳市民用無人機管理辦法（征求意見稿）》，更是首次在地方立法中規(guī)范了城市場景下無人機的物流配送運營行為，這也意味著法律政策開始承認城市無人機物流配送的地位，無人機配送也從商業(yè)模式暢享開始進入試點落地和逐步推廣實施階段。
此外，目前深圳70%空域可用于無人機飛行，且有大量無人機公司及相關(guān)產(chǎn)業(yè)分布，甚至有專為無人機生產(chǎn)PC板的公司，相對成熟的政策制度以及完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，可以極大縮短無人機從實驗室到城市的距離。同樣值得關(guān)注的是，深圳的外賣訂單量巨大，且人力成本較高，無人機價值可以更加快速顯著地體現(xiàn)。以上種種利好吸引了美團無人機選擇在深圳邁出第一步。
還有一個偶然因素——疫情爆發(fā)，讓無人機配送的服務價值有了新的延展，美團無人機團隊也順勢將業(yè)務從深圳拓展到杭州，嘗試在應急場景下常態(tài)化配送特需貨品。
有知情人士曾給雷峰網(wǎng)算了一筆賬：僅以在杭州配送核酸樣本為例，相比汽車運輸，無人機配送可以把運輸時間從20多分鐘下降到6分鐘，配送周期也可從1小時壓縮到2分鐘，這對正在試點建設(shè)15分鐘核酸“采樣圈”的杭州來說，吸引力無疑巨大，并且在運輸成本方面，無人機配送也會更低。
另外從美團視角來看，從深圳到杭州，某種程度上可被視為外界對其近一年數(shù)萬單真實配送經(jīng)驗的認可，而落地后最大的收益莫過于技術(shù)得到了更多城市管理者的認可，政策攔路石有了松動的空間。
眾所周知，研究國內(nèi)科技公司的新業(yè)務發(fā)展，對標亞馬遜、谷歌等國外公司其實是一個不錯的路徑。在國內(nèi)各大科技公司中，美團更是以像素級學習亞馬遜著稱，小到工作流程、匯報制度，大到邊界擴展、新業(yè)務探索，都能從中找到大量痕跡。
但有意思的是，雖然無人機配送業(yè)務亞馬遜也有，美團能學到的卻著實不多。比如在實踐層面，有知情人士就曾透露，亞馬遜探索無人機配送雖已有10年之久，但在過去18個月里仍然是一直在俄勒岡州和加利福尼亞州的一些農(nóng)村地區(qū)悄悄測試Prime Air無人機快遞，只是希望在今年晚些時候可以將測試范圍擴大到1300名購物者；而截至2022年5月底，美團無人機在深圳落地10個社區(qū)、4個商圈，服務覆蓋近8000戶居民，完成面向真實用戶的訂單超5.4萬單。
當然，在北半球西部的美國，比美團跑得快的玩家也有，比如數(shù)個家境殷實的商超巨頭、科技公司，他們都已建立各自的無人機物流網(wǎng)絡多年。
其中，領(lǐng)先一些的譬如Google Wing，在2019年就實現(xiàn)了無人機快遞商用，為美國弗吉尼亞州城鎮(zhèn)克里斯琴斯堡運輸食品、藥物。截至去年8月，Wing在美國多個偏遠城鎮(zhèn)配送快遞超10萬次。
而沃爾瑪則在近日宣布與無人機創(chuàng)業(yè)公司Drone Up合作，為美國6個州部分地區(qū)的400萬個家庭服務，預計年遞送量超100萬單，其配送時間限制為上午八點至晚上八點。
但基于兩國配送環(huán)境不同，美國巨頭與美團對物流無人機的性能要求有著顯著差別。
美國無人機配送服務地區(qū)大多集中于地廣人稀的區(qū)域，且建筑物普遍不高，這使得以Wing無人機為代表的載具，通過兩顆攝像頭就能實現(xiàn)視覺感知的基本需要。而美團無人機大部分時間穿梭在高樓之間，且在多天時多天候場景下服務，對感知精度要求極高，因此需要攝像頭配合毫米波雷達，甚至更多種類的傳感器，實現(xiàn)不同傳感器優(yōu)勢互補，提高感知能力。
中外城市無人機飛行環(huán)境對比
談及單一傳感器與多種傳感器融合的區(qū)別，顯然后者技術(shù)難度更高，不僅需要快速將不同傳感器的感知信息綜合處理，還必須降低誤差以防誤判。
另一方面，美國物流無人機在相對空曠地區(qū)飛行，其螺旋槳運轉(zhuǎn)發(fā)生的噪音對周邊影響小，因此其噪音要求相對較低。而美團在設(shè)計無人機時，就必須考慮噪音對社區(qū)居民生活的影響，一起投訴對這個仍在襁褓中的業(yè)務傷害也是無比巨大。為此美團對比不同材質(zhì)螺旋槳、試驗不同飛行路線找到最大程度降低飛行噪音的方法。
此外，很多美國家庭居所場會有庭院等足夠大的空地，Wing和沃爾瑪?shù)呐渌头绞娇梢灾挥美K索勾連貨物，當無人機達到客戶的住宅或是車道上方后，由一名認證飛行員遠程控制，緩慢下放繩索直至貨物落地，繩索再自動斷開。而美團無人機所在的城市住宅及商圈區(qū)域普遍人流密集且寸土寸金，為了滿足各方的需要，美團必須將起降策略設(shè)計得更加完善，目前采用的配送策略是無人機自主飛行到自動起降機場，將貨物安放在取貨柜中等待用戶取餐。
而基于高頻場景的需要，美團無人機的飛行控制需要一名工作人員能同時負責管理多臺無人機，而沃爾瑪?shù)裙镜奈锪鳠o人機送貨大多可以安排專人負責。
據(jù)黃國權(quán)透露，為了提升效率和配送體驗，美團還在探索將無人機和地面移動機器人結(jié)合的配送服務模式：無人機將外賣運輸至目的地后，再由自動配送車配送，實現(xiàn)高度自動化配送服務。
目前，美團自動配送車也已在北京落地運營近2年，并在最近參與了上?？挂弑９┕ぷ?。在上海，數(shù)十臺自動配送車僅用不到2個月的時間，就完成了超50萬單的配送任務。
在黃國權(quán)看來，兩國不同的服務環(huán)境導致無人機的各項指標確實存在差異，但這確實不能得出現(xiàn)階段技術(shù)層面孰強孰弱的結(jié)論。不過他堅信，在中國城市低空場景提供配送服務會要求無人機有更高的技術(shù)指標，挑戰(zhàn)相對更大。
某種程度上，美團如果在難度更高的城市低空能夠安全運營物流無人機，同樣就能將技術(shù)及運營經(jīng)驗應用在更多地區(qū)和領(lǐng)域。倚靠規(guī)模龐大且仍在增長的外賣市場，美團是有潛力在無人機配送領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對其師亞馬遜的趕超。
但也不可否認，中國復雜的城市環(huán)境和場景需要，讓無人機的研發(fā)需要更高的投入，即便是美團，面對當前無人機的研發(fā)投入，也時常會產(chǎn)生顧慮，畢竟“好幾個億眼睛一睜一閉就沒了。”
目前，在全國范圍內(nèi)鮮有玩家推動城市低空物流網(wǎng)絡落地的背景下，美團能否最終彎道超車，最后考驗的一定是其戰(zhàn)略定力到底有多堅定。
需要注意的是，美團研發(fā)無人機只是其機器人版圖中的冰山一角。除了技術(shù)突破與場景落地，近年來，美團對機器人領(lǐng)域的投資也明顯增多。僅在自動配送領(lǐng)域，有不完全統(tǒng)計其近年來的投入就已超過數(shù)十億元。
去年10月，美團還提出了全新的“零售+科技”戰(zhàn)略，并在隨后半年多時間持續(xù)加大關(guān)鍵領(lǐng)域科技研發(fā)投入。在最新一季財報中，僅單季研發(fā)支出同比增長40%至49億元，企業(yè)研發(fā)費用占收入比接近11%。
在財報電話會議上，美團CEO王興還曾表示，美團雖然是軟件起家，但業(yè)務發(fā)展不僅需要軟件，還需要硬件。而這也是美團近年持續(xù)投資機器人領(lǐng)域的根本原因。
他同時認為，在包括機器人在內(nèi)的各種先進技術(shù)驅(qū)動下，生活服務領(lǐng)域在提高效率、降低成本方面還有巨大潛力可挖。
而這巨大潛力自然就包括了自動配送在疫情期間所發(fā)揮的獨特價值——在人力有限的極端場景下，讓用戶仍然能體驗到所見即所得的服務。如果在更高層面上看，美團對多個機器人垂直領(lǐng)域加碼投資，未來也會為中國、乃至世界零售行業(yè)帶來新的選擇，至于最終能走向何方，讓我們拭目以待。
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