時(shí)間：2020-06-24 17:13來(lái)源：無(wú)人機(jī) 作者：中國(guó)通航
 圖17 賓夕法尼亞大學(xué)Hummingbird 圖18 多旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行
4.3、 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院
 圖19 四旋翼無(wú)人機(jī)抓取泡沫磚塊
從前面的介紹可以看出，國(guó)際上對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的研究的數(shù)量眾多，成果豐富。國(guó)內(nèi)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)也進(jìn)行了一定的研究。雖然和國(guó)外相比還是存在很大的差距，但是一些高校已經(jīng)開(kāi)始在硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、平臺(tái)搭建、算法研究、自主飛行和軌跡規(guī)劃等各個(gè)方面都緊隨世界潮流，進(jìn)行了大量的研究。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的鄭偉博士以視覺(jué)傳感器為主導(dǎo)傳感器，多個(gè)傳感器進(jìn)行了融合的方法實(shí)現(xiàn)了路徑追蹤控制。此外，清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等高校在多旋翼無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)建模、算法研究、自主飛行、避障和軌跡追蹤等方面進(jìn)行了深入的研究，并且取得了可觀的成績(jī)。 5 多旋翼無(wú)人機(jī)研究的關(guān)鍵問(wèn)題 多旋翼無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、垂直起降和飛行安全等特點(diǎn)，憑借其良好的機(jī)動(dòng)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)。 多旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)定位與導(dǎo)航技術(shù)。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)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(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)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(wú)線電干擾等因素的存在，導(dǎo)致GPS信號(hào)弱，設(shè)置有的時(shí)候完全不可用，所以研究一種無(wú)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。由于室內(nèi)多旋翼無(wú)人機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的零漂嚴(yán)重，在短時(shí)間內(nèi)有很高的定位精度。但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，誤差積累使得測(cè)量精度不斷降低，不宜單獨(dú)使用，需要與其它傳感器配合使用。盡年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者將激光測(cè)距儀和視覺(jué)傳感器引入無(wú)人機(jī)的定位與導(dǎo)航，其中視覺(jué)設(shè)備，包括機(jī)載視覺(jué)和外部視覺(jué)，外部視覺(jué)主要是光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)。另外還有藍(lán)牙定位，寬帶技術(shù)（Ultra-WideBand，UWB）定位，WiFi定位、超聲波定位，照明設(shè)備定位也應(yīng)用于室內(nèi)定位與導(dǎo)航中。本文所提出的是光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)。 基于激光測(cè)距儀的室內(nèi)導(dǎo)航定位。近幾年，基于激光測(cè)距儀的定位導(dǎo)航技術(shù)被應(yīng)用于無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，其中典型的代表是德國(guó)Ascending Technologics GmbH公司生產(chǎn)的一款名為ASCTEC PELICAN的多旋翼無(wú)人機(jī)，如圖20所示，由于特殊的機(jī)構(gòu)可以攜帶更多的機(jī)載設(shè)備。如圖21中所示，標(biāo)記1為激光測(cè)距儀。該測(cè)距儀有效工作探測(cè)距離是30米，視場(chǎng)角是270度，測(cè)量頻率是40Hz，在不需要知道外界環(huán)境的情況下，只依靠自身的機(jī)載傳感器設(shè)備，根據(jù)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款可以再室內(nèi)走廊和大廳環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的定位系統(tǒng)。  圖20 多旋翼無(wú)人機(jī)ASCTEC PELICAN 圖21 MIT使用的多旋翼無(wú)人機(jī)
機(jī)載視覺(jué)傳感器的定位。機(jī)載視覺(jué)定位導(dǎo)航主要包括單目視覺(jué)主要依靠攝像機(jī)來(lái)標(biāo)定，目標(biāo)的距離信息是通過(guò)目標(biāo)特征和圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出的。具體方法是在測(cè)量的地面上鋪設(shè)與當(dāng)前地面有顏色區(qū)分的參考線，通過(guò)機(jī)載視覺(jué)傳感器采集到的圖像信息與參考特征的位置信息。其中雙目視覺(jué)被稱為立體視覺(jué)，具體是通過(guò)兩個(gè)攝像頭獲取左右兩個(gè)相機(jī)采集到的圖像相位差，同時(shí)結(jié)合相機(jī)模型建立的空間投影關(guān)系得到位置信息。視覺(jué)導(dǎo)航得到的位置信息可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的室內(nèi)飛行，但由于其信息量大，處理距離的算法比較復(fù)雜，容易導(dǎo)致導(dǎo)航要求的實(shí)時(shí)性不高，同時(shí)容易受到環(huán)境的光影影響，所以沒(méi)有得到大面積的應(yīng)用。 外部視覺(jué)傳感器。光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)是一種最常見(jiàn)的外部視覺(jué)傳感器，它是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，依靠安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)身上的特殊紅外標(biāo)志物，通過(guò)外部環(huán)繞場(chǎng)地排列的多個(gè)攝像頭來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。今年來(lái)，多所高校在光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)的環(huán)境下，展開(kāi)了一系列的研究，并取得了豐碩的成果，代表性高校有瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工大學(xué)和楊百翰大學(xué)等。如圖8為瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院測(cè)試平臺(tái)FMA概念圖，圖22為楊百翰大學(xué)光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)概念圖。MIT和Jon athan P.How 教授基于光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)建立了測(cè)試平臺(tái)RAVEN，設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)環(huán)境下實(shí)時(shí)跟蹤及位姿估計(jì)得系統(tǒng)。賓西法尼亞大學(xué)的Nathan Michacl教授基于光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)建立測(cè)試平臺(tái)Multiple Micro-UAV Test Bed，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境下多機(jī)協(xié)同。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Raffaello D’Andrea教授依靠高分辨率的外部攝像機(jī)，完成了飛行器上放置倒立擺的平衡，飛行器投擲抓取小球，飛行器特技飛行等任務(wù)。 |
