四旋翼飛行器是應用較廣泛地飛行機器人之一，近年來(lái)隨著(zhù)其應用的普及，對交通、環(huán)境保護和農業(yè)等民用任務(wù)產(chǎn)生了重大影響。現實(shí)應用場(chǎng)景中的復雜任務(wù)主要給無(wú)人機的感知、決策、和靈活飛行控制等方面帶來(lái)挑戰，這也是科研人員研究的熱門(mén)方向。

在研究的實(shí)驗階段，為了降低實(shí)驗風(fēng)險，研究人員會(huì )優(yōu)先選擇在室內進(jìn)行飛行驗證試驗。但在室內環(huán)境測試存在兩個(gè)問(wèn)題:首先是室內環(huán)境只是對實(shí)際任務(wù)場(chǎng)景的簡(jiǎn)單抽象，無(wú)法為觀(guān)察者提供足夠的視覺(jué)信息；此外由于室內無(wú)法接收到全球導航衛星系統信號，四旋翼飛行器需要替代方法進(jìn)行室內定位。

/ 室內定位方案對比

北京航空航天大學(xué)的研究人員提出了一種基于不可見(jiàn)投影標簽的定位方法（IPT），方法融合了AR可視化場(chǎng)景和定位，不使用額外的室內定位設備，利用投影信息實(shí)現定位。

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，首先利用調制算法在動(dòng)態(tài)視頻中嵌入一個(gè)肉眼不可見(jiàn)的AprilTag二維碼，此過(guò)程利用人眼視覺(jué)系統 (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(wú)法捕捉到這種波動(dòng)，而是感知平均亮度）。然后用投影儀將調制好的視頻投影到地面，為四旋翼飛行器和觀(guān)眾提供一個(gè)視覺(jué)上的AR環(huán)境。

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

最后，將這些坐標與相機參數一起輸入到姿態(tài)估計器來(lái)計算無(wú)人機位姿。位姿數據通過(guò)WIFI傳輸至發(fā)送端來(lái)改變視頻內容

為了驗證IPT定位系統的性能，研究人員開(kāi)發(fā)了一套實(shí)驗系統。

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

/ 驗證方案設計

研究人員還在場(chǎng)地中部署了光學(xué)動(dòng)作捕捉系統和UWB系統作對比。其中由凌云光·元客視界提供的動(dòng)捕系統在實(shí)驗中作為系統真值ground truth（定位精度可以達到亞毫米級，角度精度達到0.01°）。

/ 凌云光·元客視界Swift系列紅外動(dòng)捕相機

在實(shí)驗過(guò)程中，利用IPT方法共采集了625組有效數據，為了顯示原始定位效果，數據未經(jīng)過(guò)濾波。動(dòng)作捕捉、UWB和IPT的定位對比結果如圖所示。

/ 定位結果對比

為了定量分析結果，以光學(xué)動(dòng)捕測量數據作為參考值，研究人員計算了UWB和IPT相對平均絕對誤差(MAE)、標準偏差(STD)。

/ 位置誤差和角度誤差

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

元客視界是凌云光設立的全資子公司，主要面向云宇宙虛擬現實(shí)、Web3.0時(shí)代數字人、沉浸媒體、全息通信、計算光學(xué)成像等應用，已形成光場(chǎng)建模、運動(dòng)捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內的產(chǎn)品布局。

FZMotion光學(xué)運動(dòng)捕捉系統是元客視界自主開(kāi)發(fā)的運動(dòng)捕捉采集與分析系統，可以實(shí)時(shí)跟蹤測量并記錄三維空間內點(diǎn)的軌跡、剛體的運動(dòng)姿態(tài)以及人體動(dòng)作，空間定位精度可以達到亞毫米級。

FZMotion動(dòng)捕系統在無(wú)人機室內定位、仿生機器人運動(dòng)規劃、機械臂示教學(xué)習、氣浮臺位姿驗證、水下運動(dòng)捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應用，目前已經(jīng)與清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開(kāi)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。