案例分享 | 北航基于不可見投影標(biāo)簽的無人機室內(nèi)定位方案

四旋翼飛行器是應(yīng)用較廣泛地飛行機器人之一，近年來隨著其應(yīng)用的普及，對交通、環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)等民用任務(wù)產(chǎn)生了重大影響。現(xiàn)實應(yīng)用場景中的復(fù)雜任務(wù)主要給無人機的感知、決策、和靈活飛行控制等方面帶來挑戰(zhàn)，這也是科研人員研究的熱門方向。

在研究的實驗階段，為了降低實驗風(fēng)險，研究人員會優(yōu)先選擇在室內(nèi)進(jìn)行飛行驗證試驗。但在室內(nèi)環(huán)境測試存在兩個問題:首先是室內(nèi)環(huán)境只是對實際任務(wù)場景的簡單抽象，無法為觀察者提供足夠的視覺信息；此外由于室內(nèi)無法接收到全球系統(tǒng)信號，四旋翼飛行器需要替代方法進(jìn)行室內(nèi)定位。

/ 室內(nèi)定位方案對比

北京大學(xué)的研究人員提出了一種基于不可見投影標(biāo)簽的定位方法（IPT），方法融合了AR可視化場景和定位，不使用額外的室內(nèi)定位設(shè)備，利用投影信息實現(xiàn)定位。

整體方案分為發(fā)送端和接收端。

/ IPT方法工作流

對于發(fā)送端，首先利用調(diào)制算法在動態(tài)視頻中嵌入一個肉眼不可見的AprilTag二維碼，此過程利用人眼視覺系統(tǒng) (HVS) 的閃爍融合特性（即如果屏幕在40 -50 Hz 的典型頻率以上交替，人眼無法捕捉到這種波動，而是感知平均亮度）。然后用投影儀將調(diào)制好的視頻投影到地面，為四旋翼飛行器和觀眾提供一個視覺上的AR環(huán)境。

對于接收端，無人機上搭載一個高速相機用于捕捉圖像信息，然后執(zhí)行解調(diào)算法，從視頻中獲得標(biāo)簽角的三維(3D)世界坐標(biāo)及其二維(2D)投影。

最后，將這些坐標(biāo)與相機參數(shù)一起輸入到姿態(tài)估計器來計算無人機位姿。位姿數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸至發(fā)送端來改變視頻內(nèi)容

為了驗證IPT定位系統(tǒng)的性能，研究人員開發(fā)了一套實驗系統(tǒng)。

實驗中，發(fā)送端采用兩臺激光投影儀，在2.17m×2.47m場地形成一個1920×210分辨率的屏幕，以60Hz投影視頻流。接收端采用270mm軸距無人機，無人機搭載了120FPS全局快門彩色相機來消除果凍效應(yīng)（rolling shutter effect）。

/ 驗證方案設(shè)計

研究人員還在場地中部署了光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)和UWB系統(tǒng)作對比。其中由凌云光·元客視界提供的動捕系統(tǒng)在實驗中作為系統(tǒng)真值ground truth（定位精度可以達(dá)到亞毫米級，角度精度達(dá)到0.01°）。

/ 凌云光·元客視界Swift系列紅外動捕相機

在實驗過程中，利用IPT方法共采集了625組有效數(shù)據(jù)，為了顯示原始定位效果，數(shù)據(jù)未經(jīng)過濾波。動作捕捉、UWB和IPT的定位對比結(jié)果如圖所示。

/ 定位結(jié)果對比

為了定量分析結(jié)果，以光學(xué)動捕測量數(shù)據(jù)作為參考值，研究人員計算了UWB和IPT相對平均絕對誤差(MAE)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(STD)。

/ 位置誤差和角度誤差

通過結(jié)果可以看出，IPT方法可以得到厘米級精度的定位數(shù)據(jù)（10 FPS），在Z向定位精度優(yōu)于UWB系統(tǒng)，但是在X和Y方向振蕩更大。對于姿態(tài)角度，UWB無法測量相關(guān)數(shù)據(jù)，IPT系統(tǒng)可以得到可接受的角度數(shù)據(jù)。

元客視界是凌云光設(shè)立的全資子公司，主要面向云宇宙虛擬現(xiàn)實、Web3.0時代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計算光學(xué)成像等應(yīng)用，已形成光場建模、運動捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內(nèi)的產(chǎn)品布局。

FZMotion光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)是元客視界自主開發(fā)的運動捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實時跟蹤測量并記錄三維空間內(nèi)點的軌跡、剛體的運動姿態(tài)以及人體動作，空間定位精度可以達(dá)到亞毫米級。

FZMotion動捕系統(tǒng)在無人機室內(nèi)定位、仿生機器人運動規(guī)劃、機械臂示教學(xué)習(xí)、氣浮臺位姿驗證、水下運動捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)與清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開展合作。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案，助力科研發(fā)展。