在Robotics(机器人学)领域，国际机器人技术与自动化会议(ICRA)是两大旗舰会议之一，在这里，全球机器人最具创新性的研究成果汇聚一堂。可以说，ICRA在机器人学的地位堪比奥斯卡之于电影界。
近日，一年一度的ICRA在美国费城落下帷幕。本届ICRA收到来自全球66个国家及地区的3344份投稿，经过严格审核最后收录论文1428篇。根据导航、自动化等细分赛道特点，今年的ICRA还评选13篇论文作为最佳研究成果进行表彰。其中，美团一篇关于视觉里程计(VO)和SLAM的研究获得大会导航领域的年度最佳论文，这也是今年唯一一篇第一作者和第一公司均来自中国的获奖论文。
据悉，该篇获奖论文所阐述的技术可提升移动机器人、VR/AR等领域的导航定位效率和精度。值得一提的是，美团另一篇关于视觉惯导(VIO)技术的论文也被ICRA 2022接收，并且该技术同样可应用于视觉定位，帮助无人机在纯视觉飞行时提升近3成的定位精度。两项新技术后续都将支持以无人机和自动配送车为代表的新业务发展。
获得ICRA 2022的最佳研究成果奖，证明美团在机器人领域研究能力不俗，但止步于实验室并不是美团一贯的研究风格，能将技术快速应用到业务场景中才是他们真正期待的结果。
近日有消息称，刚刚完成升级的美团无人机就飞去了杭州开拓新场景：通过自主飞行能力往返于检测点与实验室之间，帮助医护人员运输核酸样本。
而更早之前，这支团队还在深圳实现了社区、商圈、园区等多场景的常态化试运营，参与到这座城市的日常外卖配送工作。
借着获奖之机，雷峰网与该团队进行了一轮交流，发现从实验室到城市，这支不足6岁的队伍始终在追逐一个问题的答案：如何在中国城市场景下实现高频短途的自主运行?而套用一句美团人常说的话，“菩萨畏因，凡夫畏果”，探究他们的解题思路，或许能给后来者以更大启发。
探索无人机配送的背后：运力升维迫切
乘着移动互联网蓬勃发展的浪潮，过去10年是中国在线外卖市场高速发展的黄金时期。在2011年至2020年之间，中国在线外卖市场用户规模由0.63亿人增长至4.56亿人，外卖零售业务范围也逐渐从餐饮向生鲜、商超、医药等万物扩容。据智研咨询预测，中国在线外卖市场规模将继续保持增长趋势。而美团期待的外卖结果是在2025年能够每天配送一亿单，较去年底增长近一倍。
对于提供在线外卖服务的平台而言，不断扩展的运送品类使其成为不少用户的必需品，而基于及时性的需要，中国外卖配送服务整体呈现出高频、短途的特点：一方面，随着可满足的需求越多，用户下单的频次越多;另一方面，相对更急切的消费场景，使用户对外卖的时效性要求较快递配送会更高，在相对固定的供给分布，以及单位时间内运力供给一定的背景下，外卖服务半径势必会更短。
所以近年来外卖平台之间的运力博弈更像是一场刺刀白刃战，盯着要害直来直去，但鲜有质的变化。
大致来看，解决手段可以是高薪招聘增加骑手数量，但在订单量暴涨以及人口红利逐渐消失的背景下，人力始终存在天花板，从人社部最新发布的百大紧缺职业也能看出，快递员和网约配送员目前已属于供给严重短缺的岗位;另一种可能是优化调度提高人效，但这种办法的天花板就是个体本身，毕竟人力有限。
一面是用户侧希望配送时间尽可能少，另一面是运力提效的天花板渐近，矛盾之下，美团希望从技术里找新路。物流无人机是他们想到的一种选择：利用城市低空场景和新载具的服务能力，配合既有的运力网缓解末端“三公里”的配送压力并提高服务体验，甚至还能节省出人力去服务更有价值的事情。
2017年，美团内部开始探索城市低空场景无人机配送的可行性。不过，当时市面上并没有一款能满足外卖需求的无人机：美团希望它既有足够的经济性，同时也能稳定安全高效地服务高频短途配送场景。
于是，美团尝试自研无人机，以及与之配套的自动化调度系统、社区自动化起降机场。
比遥控飞机难3-4个数量级：高频配送下的自主飞行与自动化调度
对于无人机配送流程，美团的设想是：在商家相对集中的区域设置一个自动化起降机场，一两位驻点工作人员承包起将区域内所有商家货品配送到机场的工作。当货物放入专为无人机配送设计的货箱并固定好后，无人机会在自动化调度系统的指挥下，根据用户设定的取餐点沿着规划航线自主飞行。当无人机抵达社区起降机场后，自动解锁货物至取餐柜等待用户取走，或是配合楼宇内机器人送达家门口。
如果用一句话形容角色分工，无人机是空中的外卖员，自动化调度系统是调度员，社区自动化起降机场是服务员。
而在看似简单的流程中，如何实现无人机自主安全飞行以及自动化调度，是其中最大的难题。
美团资深科学家黄国权教授向雷峰网介绍，美团无人机得以实现自主飞行，主要是具备了高精度高鲁棒的导航定位、感知避障、三维视觉建图和规划控制四大能力。
其中，鲁棒自适应飞控是美团无人机实现安全可靠自主飞行的基础，美团为此耗费了两年多时间进行重构自研。
无人机的感知能力，主要通过立体环绕机身的摄像头及数颗毫米波雷达，辅以自建的3D高精地图实现。
目前，面向未来全天候全天时的无人机配送，美团也在积极探索其它新型传感器，以期进一步提升多源融合精度和可靠性，而此次获ICRA 2022最佳导航论文的研究成果也是服务于此。
此外，为了保证无人机的稳定性及安全性，美团为一架无人机配备了6个电调、6套螺旋桨和6个电机，构成6个独立动力总成，确保有足够的冗余能力降低因单个零部件损坏而带来的风险。
美团无人机自主飞行配送订单
不过，除了自身搭载较多传感器以及冗余设备之外，无人机还需额外承受餐盒重量，这是否会影响其飞行的安全性和稳定性?
对此，黄国权解释，美团无人机在设计时就以高集成度为出发点，在保证安全稳定运行的前提下，以克为单位不断试验，逐渐减少PC板和元器件的重量，乃至通过调整布线和螺丝选择的方式减重。
当单架无人机具备自主飞行能力后，接下来的目标是由点及面，确保更多无人机在一个小范围区域内协同作业时，依然能够有条不紊地高效安全飞行。
在专业人士看来，用遥控器指挥一架无人机配送，和全自动化系统调度多架无人机运送，之间的技术难度相差至少是3-4个数量级。同时从全球来看，无人机全自动化系统背后的科技含量，可以说是处在这个领域的珠峰峰顶。
为了让无人机能够稳定协同作业，美团专门打造了一套空中调度系统(UTM)，配合自动化调度系统为服务区域内的无人机自动规划航线，安排派送任务。
美团UTM系统工作状态
而与传统外卖调度系统固定派送路线的设计思路不同，考虑到无人机配送可能出现航线占用的情况，新系统加入了实时重新规划航线的功能，确保整体效率最优。
黄国权还进一步分析称，空中调度系统的真正难点在于算法和工程两个方面：
算法方面，当城市低空无人机配送真正走入生活时，美团可能就要面对每天超百万笔的无人机配送订单，这就要求系统必须在高并发情况下，快速得到最优决策规划，解决大规模调度优化问题， “而这个快速的概念一般就是几百毫秒”。除此之外，无人机在自主飞行过程中会受到天气、空域、地理环境等因素变化影响，也会大幅增加实时规划调度的难度。
工程方面，无人机飞行会涉及到监管问题、信息安全问题、与其它无人机和地勤人员通讯及交互问题等，并非仅通过技术即可解决。这些问题的复杂程度甚至堪比现实生活中的民航系统。
尽管业务规模还未达到日均百万单的水平，但黄国权他们希望能最先按照这个思路，打造出一套标准的空中调度系统供行业参考，推动整个城市低空经济的发展。
为中国城市低空场景编织无人机安全网
发展城市低空经济的挑战，当然不会只限于产业经济系统内部。
根据飞行高度，国内无人机可分为低空无人机(100米-1000米之间)、中空无人机(1000米至7000米之间)、高空无人机(7000米至18000米之间)以及超高空无人机(高于18000米)。美团无人机的主要工作环境，大约在100米附近。
而按照主流应用场景进行划分，无人机还可大致分为航拍、植物保护、电力巡检、环保检测等专业无人机。但相比城市低空场景，上述无人机的作业环境确实会更简单，且对飞行安全性的挑战更低。
具体而言，上述无人机飞行环境大多位于郊区及空旷场所，周围人类活动少，无人机受到的影响就少。而移至城市内，复杂的建筑物分布以及密布的人群，都会让无人机的飞行难度成指数级增长。所以行业侧公认，在无人机所有的应用场景中，城市低空物流是最难的。
极低的飞行高度以及复杂的城市环境，为美团的无人机配送发展带来不少挑战，而结合业务特点，团队目前给出技术对策主要是强化避障能力和自主迫降能力。
避障能力方面，美团首先考虑的是因区域内订单暴涨，导致大量无人机同时密集飞行的情况。如对此不加干预，极易导致同一航线内发生无人机碰撞。为了避免此类情况发生，除了为无人机增加实时重新规划航线的功能外，美团还为每架无人机设置了一个“时空胶囊”。
时空胶囊，即为调度系统所处的三维空间加入时间参数。目前，美团会根据无人机实时飞行状态，设置导航误差、控制误差等参数，将综合误差范围作为每架无人机飞行的安全区域，将无人机当前位置、几秒前及几秒后所在的位置以一颗胶囊的模样呈现，只要同一时间内胶囊之间不互相重叠，就能避免碰撞事故。
至于自主迫降能力，美团内部称之为“安全降落”功能。尽管已为无人机配备多套安全冗余设备，但在实际飞行过程中，可能因一些特殊原因需要在未知场景进行临时迫降。结合各种可能的需要，美团在两个月前完成了这套“安全降落”功能的开发，在稳定性及安全性方面都有所突破。
降落伞打开状态的美团无人机
比如为了防止迫降时餐盒掉落，设计师在无人机与餐盒的连接处加装悬挂锁定，只有在停止飞行时才主动解锁放开货物;至于在迫降过程中，无人机会通过自身机器视觉感知、对环境的实时三维建图，以及自主动态路径规划等能力选择降落点，尽可能降落在安全地带;此外，即便无人机出现故障从空中掉落，无人机的最后一重保护——由中国航天508所研发的降落伞将最大程度降低无人机的降落速度，保证地面人员及财产安全。
美团无人机系统架构师陈天健还告诉雷峰网，无人机在运营状态下目前未出现“炸机”情况，只在测试状态下出现过少量故障。长期以来的安全飞行主要得益于美团常在动力受损、桨叶断裂等极端情况下测试无人机稳定性，而这一测试次数更是超过了40万架次。
尽管做好了一切能想到的技术保障，但实验室与城市之间的壁垒不只限于技术本身，真实落地仍会有许多其他挑战。
据了解，美团无人机业务目前已在深圳、杭州等城市实现真实场景落地，其中在深圳的常态化试运营更是超过了一年。
而回忆选择率先在深圳提供无人机配送服务的原因，大家直言与深圳优越的政策环境及产业基础相关。
近年来，深圳被誉为“无人机之都”，当地政府早在2019年就出台了《深圳市民用微轻型无人机管理暂行办法》，成为国内第一个科学管理无人机的城市。
随后出台的《深圳市民用无人机管理办法(征求意见稿)》，更是首次在地方立法中规范了城市场景下无人机的物流配送运营行为，这也意味着法律政策开始承认城市无人机物流配送的地位，无人机配送也从商业模式畅享开始进入试点落地和逐步推广实施阶段。
此外，目前深圳70%空域可用于无人机飞行，且有大量无人机公司及相关产业分布，甚至有专为无人机生产PC板的公司，相对成熟的政策制度以及完整的产业链条，可以极大缩短无人机从实验室到城市的距离。同样值得关注的是，深圳的外卖订单量巨大，且人力成本较高，无人机价值可以更加快速显著地体现。以上种种利好吸引了美团无人机选择在深圳迈出第一步。
还有一个偶然因素——疫情爆发，让无人机配送的服务价值有了新的延展，美团无人机团队也顺势将业务从深圳拓展到杭州，尝试在应急场景下常态化配送特需货品。
有知情人士曾给雷峰网算了一笔账：仅以在杭州配送核酸样本为例，相比汽车运输，无人机配送可以把运输时间从20多分钟下降到6分钟，配送周期也可从1小时压缩到2分钟，这对正在试点建设15分钟核酸“采样圈”的杭州来说，吸引力无疑巨大，并且在运输成本方面，无人机配送也会更低。
另外从美团视角来看，从深圳到杭州，某种程度上可被视为外界对其近一年数万单真实配送经验的认可，而落地后最大的收益莫过于技术得到了更多城市管理者的认可，政策拦路石有了松动的空间。
“眨眼烧光过亿元”一次无例可循的中国式创新
众所周知，研究国内科技公司的新业务发展，对标亚马逊、谷歌等国外公司其实是一个不错的路径。在国内各大科技公司中，美团更是以像素级学习亚马逊著称，小到工作流程、汇报制度，大到边界扩展、新业务探索，都能从中找到大量痕迹。
但有意思的是，虽然无人机配送业务亚马逊也有，美团能学到的却着实不多。比如在实践层面，有知情人士就曾透露，亚马逊探索无人机配送虽已有10年之久，但在过去18个月里仍然是一直在俄勒冈州和加利福尼亚州的一些农村地区悄悄测试Prime Air无人机快递，只是希望在今年晚些时候可以将测试范围扩大到1300名购物者;而截至2022年5月底，美团无人机在深圳落地10个社区、4个商圈，服务覆盖近8000户居民，完成面向真实用户的订单超5.4万单。
当然，在北半球西部的美国，比美团跑得快的玩家也有，比如数个家境殷实的商超巨头、科技公司，他们都已建立各自的无人机物流网络多年。
其中，领先一些的譬如Google Wing，在2019年就实现了无人机快递商用，为美国弗吉尼亚州城镇克里斯琴斯堡运输食品、药物。截至去年8月，Wing在美国多个偏远城镇配送快递超10万次。
而沃尔玛则在近日宣布与无人机创业公司Drone Up合作，为美国6个州部分地区的400万个家庭服务，预计年递送量超100万单，其配送时间限制为上午八点至晚上八点。
但基于两国配送环境不同，美国巨头与美团对物流无人机的性能要求有着显著差别。
美国无人机配送服务地区大多集中于地广人稀的区域，且建筑物普遍不高，这使得以Wing无人机为代表的载具，通过两颗摄像头就能实现视觉感知的基本需要。而美团无人机大部分时间穿梭在高楼之间，且在多天时多天候场景下服务，对感知精度要求极高，因此需要摄像头配合毫米波雷达，甚至更多种类的传感器，实现不同传感器优势互补，提高感知能力。
中外城市无人机飞行环境对比
谈及单一传感器与多种传感器融合的区别，显然后者技术难度更高，不仅需要快速将不同传感器的感知信息综合处理，还必须降低误差以防误判。
另一方面，美国物流无人机在相对空旷地区飞行，其螺旋桨运转发生的噪音对周边影响小，因此其噪音要求相对较低。而美团在设计无人机时，就必须考虑噪音对社区居民生活的影响，一起投诉对这个仍在襁褓中的业务伤害也是无比巨大。为此美团对比不同材质螺旋桨、试验不同飞行路线找到最大程度降低飞行噪音的方法。
此外，很多美国家庭居所场会有庭院等足够大的空地，Wing和沃尔玛的配送方式可以只用绳索勾连货物，当无人机达到客户的住宅或是车道上方后，由一名认证飞行员远程控制，缓慢下放绳索直至货物落地，绳索再自动断开。而美团无人机所在的城市住宅及商圈区域普遍人流密集且寸土寸金，为了满足各方的需要，美团必须将起降策略设计得更加完善，目前采用的配送策略是无人机自主飞行到自动起降机场，将货物安放在取货柜中等待用户取餐。
而基于高频场景的需要，美团无人机的飞行控制需要一名工作人员能同时负责管理多台无人机，而沃尔玛等公司的物流无人机送货大多可以安排专人负责。
据黄国权透露，为了提升效率和配送体验，美团还在探索将无人机和地面移动机器人结合的配送服务模式：无人机将外卖运输至目的地后，再由自动配送车配送，实现高度自动化配送服务。
目前，美团自动配送车也已在北京落地运营近2年，并在最近参与了上海抗疫保供工作。在上海，数十台自动配送车仅用不到2个月的时间，就完成了超50万单的配送任务。
在黄国权看来，两国不同的服务环境导致无人机的各项指标确实存在差异，但这确实不能得出现阶段技术层面孰强孰弱的结论。不过他坚信，在中国城市低空场景提供配送服务会要求无人机有更高的技术指标，挑战相对更大。
某种程度上，美团如果在难度更高的城市低空能够安全运营物流无人机，同样就能将技术及运营经验应用在更多地区和领域。倚靠规模庞大且仍在增长的外卖市场，美团是有潜力在无人机配送领域实现对其师亚马逊的赶超。
但也不可否认，中国复杂的城市环境和场景需要，让无人机的研发需要更高的投入，即便是美团，面对当前无人机的研发投入，也时常会产生顾虑，毕竟“好几个亿眼睛一睁一闭就没了。”
目前，在全国范围内鲜有玩家推动城市低空物流网络落地的背景下，美团能否最终弯道超车，最后考验的一定是其战略定力到底有多坚定。
小结
需要注意的是，美团研发无人机只是其机器人版图中的冰山一角。除了技术突破与场景落地，近年来，美团对机器人领域的投资也明显增多。仅在自动配送领域，有不完全统计其近年来的投入就已超过数十亿元。
去年10月，美团还提出了全新的“零售+科技”战略，并在随后半年多时间持续加大关键领域科技研发投入。在最新一季财报中，仅单季研发支出同比增长40%至49亿元，企业研发费用占收入比接近11%。
在财报电话会议上，美团CEO王兴还曾表示，美团虽然是软件起家，但业务发展不仅需要软件，还需要硬件。而这也是美团近年持续投资机器人领域的根本原因。
他同时认为，在包括机器人在内的各种先进技术驱动下，生活服务领域在提高效率、降低成本方面还有巨大潜力可挖。
而这巨大潜力自然就包括了自动配送在疫情期间所发挥的独特价值——在人力有限的极端场景下，让用户仍然能体验到所见即所得的服务。如果在更高层面上看，美团对多个机器人垂直领域加码投资，未来也会为中国、乃至世界零售行业带来新的选择，至于最终能走向何方，让我们拭目以待。
