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光學(xué)動捕系統(tǒng)助力無人機科研與行業(yè)發(fā)展

時間：2020-06-05 12:11來源：北京輕威科技 作者：中國通航

多旋翼無人機室內(nèi)自主控制與自主導(dǎo)航與外部視覺

多旋翼無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、機動性強、垂直起降和飛行安全等特點，憑借其良好的機動性、優(yōu)越的懸停和低速飛行性能受到廣泛關(guān)注，多旋翼的發(fā)展依然存在著很多的關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。

為什么要研究無人機室內(nèi)自主控制與自主導(dǎo)航？

傳統(tǒng)的無人機通常使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）相結(jié)合的方式實現(xiàn)無人機的定位與導(dǎo)航。但是在一些環(huán)境下，由于建筑物的遮擋或者無線電干擾等因素的存在，導(dǎo)致GPS信號弱，設(shè)置有的時候完全不可用，所以研究一種無GPS環(huán)境下的導(dǎo)航方式成為目前的研究中需要攻克的技術(shù)難題。

為什么在研究無人機室內(nèi)自主控制和自主導(dǎo)航時要用到外部視覺工具？

由于室內(nèi)多旋翼無人機的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的零漂嚴重，在短時間內(nèi)有很高的定位精度。但是隨著時間的延長，誤差積累使得測量精度不斷降低，不宜單獨使用，需要與其它傳感器配合使用。

在對無人機飛行控制系統(tǒng)進行開發(fā)時，工程師需要對空中懸停、飛行中避障、機身姿態(tài)控制、定位、著陸等功能進行開發(fā)和測試，因此工程師需要一把工作在三維空間中的尺子，實時對無人機在空間中的高度、位置、姿態(tài)、抖動、延時等指標進行測量，以提升開發(fā)效率。在對無人機、無人車等智能體進行高精度編隊時，工程師需要構(gòu)建一個空間測量基準，該基準可以實時精確測量每個智能體在空間中的位置和姿態(tài)，并通過運行有控制軟件（如ROS）的計算機下達編隊指令。

無人機自主導(dǎo)航中，無人機運動狀態(tài)識別是無人機航跡預(yù)測的基礎(chǔ)，對無人機空管系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要意義。無人機的運動狀態(tài)可簡化為幾個標準狀態(tài)，如等速狀態(tài)、等加速狀態(tài)和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎狀態(tài)等。無人機的真實飛行過程可以認為是由不同運動狀態(tài)組合或轉(zhuǎn)換而成的。通過確定無人機的運動狀態(tài)，可以對無人機航跡進行預(yù)測，進而評估無人機運行風(fēng)險、建立監(jiān)管系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)。但無人機真實運行環(huán)境復(fù)雜，觀測數(shù)據(jù)在觀測和數(shù)據(jù)鏈傳輸過程中包含一定噪聲，難以通過簡單的閾值確定無人機的運行狀態(tài)。所以需要一個精準的外部視覺對其運動狀態(tài)進行測量。

有哪些外部視覺工具？

光學(xué)動捕系統(tǒng)、寬帶技術(shù)（Ultra-WideBand，UWB）定位，激光定位、超聲波定位等。

外部視覺工具有哪些優(yōu)劣勢？

由對比表可以看出，在光學(xué)動捕是對多旋翼無人機室內(nèi)自主控制與自主導(dǎo)航研究中光學(xué)動捕系統(tǒng)是最優(yōu)質(zhì)的選擇。

悟空™光學(xué)動捕系統(tǒng)

工作原理:

精準記錄運動信息，基于計算機視覺原理，光學(xué)室內(nèi)定位系統(tǒng)通過布置在空間中的多個紅外攝像機捕捉區(qū)域內(nèi)物體上反光標識點的運動信息，并以圖像的形式記錄下來。

實時解算六自由度位姿，利用計算機對捕捉到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，實時地解算出運動物體的六自由度位姿，即三自由度位置（X,Y, Z坐標）和三自由度姿態(tài)（俯仰角，偏航角和滾轉(zhuǎn)角）。該系統(tǒng)也可以稱為“室內(nèi)定位系統(tǒng)”或“室內(nèi)GPS”。

多架相機支持，覆蓋范圍廣，光學(xué)室內(nèi)定位系統(tǒng)采用智能相機，將反光球圖像坐標傳到主機，不同相機數(shù)目將產(chǎn)生不同的覆蓋范圍，相機越多，覆蓋范圍越大。