詳解多旋翼無(wú)人機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)的情況提供實(shí)時(shí)的定位與定向解決方案

理查德·施特勞斯，德國(guó)浪漫派晚期最后的一位偉大的作曲家，同時(shí)又是交響詩(shī)及標(biāo)題音樂(lè)領(lǐng)域中最大的作曲家。1896年施特勞斯根據(jù)尼采的著作完成了敘事性交響樂(lè)《查拉圖斯特拉如是說(shuō)》。時(shí)隔118年后，在美國(guó)華盛頓舉行的美國(guó)科技年會(huì)上，一群名叫“微蜂”的多旋翼無(wú)人機(jī)非常嫻熟地演奏了施特勞斯的這部交響樂(lè)作品，技驚全場(chǎng)。這場(chǎng)別開(kāi)生面的音樂(lè)會(huì)的主角由人變?yōu)槎嘈頍o(wú)人機(jī)，然而精湛的演奏技藝是由美國(guó)KMel Robotics團(tuán)隊(duì)支撐，他們來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程系著名的GRASP實(shí)驗(yàn)室。團(tuán)隊(duì)主要人員賓夕法尼亞大學(xué)教授Vijay Kumar直言：“研發(fā)這樣一套敏捷的機(jī)器人系統(tǒng)需要一種在高速運(yùn)動(dòng)的情況下提供實(shí)時(shí)的定位和定向的解決方案?！盙RASP實(shí)驗(yàn)室將目光聚焦在光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)上。

微蜂”多旋翼無(wú)人機(jī)組演繹《查拉圖斯特拉如是說(shuō)》

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)主要是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，從理論上說(shuō)，對(duì)于三維空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要這個(gè)點(diǎn)能同時(shí)為兩部攝像機(jī)所見(jiàn)，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部攝像機(jī)所拍攝的圖像和對(duì)應(yīng)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在三維空間里的位置信息。當(dāng)攝像機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。利用這個(gè)原理，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的原理與GRASP實(shí)驗(yàn)室的需求不謀而合，它給GRASP實(shí)驗(yàn)的研究帶來(lái)了三個(gè)好消息：

第一，高速，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)擁有至少100FPS的拍攝速度；

第二，高精度，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)擁有0.1mm的定位精度；

第三，魯棒性，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是跟蹤多旋翼無(wú)人機(jī)上固定的剛體結(jié)構(gòu)，跟蹤數(shù)據(jù)幾乎不會(huì)丟失。

擁有這些優(yōu)勢(shì)，對(duì)于研發(fā)無(wú)人機(jī)的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，正如GRASP實(shí)驗(yàn)室的Daniel Mellinger博士所言，“光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)避免我們走彎路，我們只需要聚焦在無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)和控制的研究上即可”。

本文筆者將詳細(xì)介紹光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)如何解決多旋翼無(wú)人機(jī)在高速飛行過(guò)程中的定位和定向的問(wèn)題。

飛行場(chǎng)地 光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是該解決方案的核心，首先根據(jù)自身?xiàng)l件選擇多旋翼無(wú)人機(jī)飛行的場(chǎng)地，根據(jù)場(chǎng)地大小，選擇合適數(shù)量的運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)，通常需要8臺(tái)以上。

建立剛體 根據(jù)光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的原理，多臺(tái)攝像機(jī)同步發(fā)射紅外光線，在三維空間里，目標(biāo)物體表面固定特制的標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)可在紅外光線下強(qiáng)烈反光，通過(guò)識(shí)別算法提取標(biāo)記點(diǎn)的空間位置信息。因此，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)并非采集多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行視頻圖像，而是固定在多旋翼無(wú)人機(jī)上的標(biāo)記點(diǎn)（如圖4），繼而得出點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)空間里存在一架以上的多旋翼無(wú)人機(jī)時(shí)，單一的標(biāo)記點(diǎn)無(wú)法區(qū)別多架多旋翼無(wú)人機(jī)，需要多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)組成不同形狀的結(jié)構(gòu)便于區(qū)分。由多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)組成，體積和形狀不會(huì)隨著自身的移動(dòng)而改變，稱之為“剛體”。當(dāng)不同的多旋翼無(wú)人機(jī)固定不同結(jié)構(gòu)的剛體時(shí)，區(qū)分便很容易做到。

實(shí)時(shí)定位 多旋翼無(wú)人機(jī)在光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的軟件中是被識(shí)別為不同結(jié)構(gòu)的剛體。多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行產(chǎn)生了空間位置的變化，映射在軟件里，即六自由度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化。Six Degrees of Freedom（6DoF），即六自由度，包括三維空間XYZ軸坐標(biāo)，偏航角Yaw，橫搖角Roll，俯仰角Pitch。這些數(shù)據(jù)既可以實(shí)時(shí)預(yù)覽，又可以實(shí)時(shí)廣播出去。

實(shí)時(shí)校正 多旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的六自由度數(shù)據(jù)傳遞到飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)），作為實(shí)際的參考數(shù)據(jù)，來(lái)校正多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行軌跡，確保其在事先設(shè)定的航線上飛行。多架多旋翼無(wú)人機(jī)按照指定的軌跡或數(shù)據(jù)飛行，即形成了整齊的編隊(duì)飛行效果。運(yùn)用OptiTrack光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)打造一套定位多旋翼無(wú)人機(jī)飛行軌跡的解決方案，具有高性價(jià)比，穩(wěn)定抗干擾，高精度，同步跟蹤多個(gè)目標(biāo)物，實(shí)時(shí)的六自由度數(shù)據(jù)流等優(yōu)勢(shì)特性。

OptiTrack是美國(guó)NaturalPoint公司旗下的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的品牌，公司致力于為個(gè)人用戶提供最性價(jià)比的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。2010年，凌云公司與OptiTrack建立合作關(guān)系，逐年搶占Vicon和Motion Analysis兩大老牌光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的市場(chǎng)。2014年，OptiTrack登上北美銷(xiāo)量第一的寶座，全球總銷(xiāo)量也躍居第二。Prime系列是OptiTrack的高端系列，適用于游戲與動(dòng)畫(huà)制作，運(yùn)動(dòng)跟蹤，力學(xué)分析，以及投影映射等應(yīng)用方向。多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行定位正是光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的原理所要做的事。

Prime 41 在全世界各類(lèi)光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉品牌的產(chǎn)品中，它擁有遙遙領(lǐng)先的捕捉范圍——30米，獨(dú)特的屬性讓其能夠在飛行場(chǎng)地的擴(kuò)容性方面擁有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。410萬(wàn)像素的光學(xué)分辨率，保證在30米遠(yuǎn)處使用小到幾毫米的標(biāo)記點(diǎn)也能被正確識(shí)別。rime 17W 它解決了運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)極少實(shí)現(xiàn)的雙重功能——視場(chǎng)角和工作距離最大化（如圖9）。在有限的15mx15m的實(shí)驗(yàn)室或工作室里，它能夠提供全世界最大的捕捉空間和360FPS的采集幀速，保證多旋翼無(wú)人機(jī)能夠高速飛行。

Prime 13 即使在只有130萬(wàn)像素的光學(xué)分辨率下，它依然憑借精確的識(shí)別算法保證0.1mm的捕捉精度，極其慷慨的成本，也讓它成為全世界最具性價(jià)比的高速運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)。大疆公司的工程師們直言：“0.1mm的捕捉精度對(duì)于修正飛控系統(tǒng)很關(guān)鍵?！?/p>

除了優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)性能，筆者認(rèn)為OptiTrack的Prime系列恰到好處地解決了最終用戶在實(shí)際使用中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

第一， 數(shù)據(jù)和供電一體化。Prime系列的運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)僅有一個(gè)千兆網(wǎng)接口（如圖10），千兆網(wǎng)線不僅將數(shù)據(jù)傳遞到客戶端，還起到供電線纜的作用，這便是PoE，即Power over Ethernet。數(shù)據(jù)和供電一體化使得用戶僅需一根千兆網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和攝像機(jī)供電，減少系統(tǒng)布線的壓力，增加使用的便捷性。

第二， 通用的擴(kuò)展硬件。Prime系列的運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)都是連接到通用的交換機(jī)設(shè)備上，如思科、網(wǎng)件的數(shù)據(jù)交換機(jī)。百度公司的工程師徐立人介紹道：“如果未來(lái)我們想擴(kuò)大捕捉場(chǎng)地，只需要增加攝像機(jī)的數(shù)量，并且再增加同一型號(hào)的交換機(jī)，便可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的并聯(lián)，這就很方便了，而且這些交換機(jī)都是通用的品牌?！?/p>

第三， 第三，輔助瞄準(zhǔn)。這個(gè)按鈕讓一個(gè)人即可完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的安裝設(shè)置。按下輔助瞄準(zhǔn)按鈕，軟件界面將顯示全屏的2D圖像預(yù)覽視角，通過(guò)設(shè)置灰度、曝光改善畫(huà)面亮度和清晰度。整個(gè)過(guò)程無(wú)需別人協(xié)助，無(wú)需操作軟件。

第四，開(kāi)源的SDK和API訪問(wèn)。NatNet SDK是免費(fèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流通道開(kāi)發(fā)包，支持C/C++編譯，支持UDP協(xié)議，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Point-To-Point）或多點(diǎn)（IP Multicasting）傳輸。另外，用戶可以基于Motive的API開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序直接控制系統(tǒng)，完全替代Motive：Tracker的原始用戶界面。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的華春生博士表示：“我對(duì)VRPN或Trackd的傳輸方式不信任，NatNet是開(kāi)源的，我可以自定義我能夠信任的方式?！?/p>

第五，戶外性。OptiTrack獨(dú)特的照明專(zhuān)利技術(shù)，利用LED陣列加快放電速度，滿足捕捉超快運(yùn)動(dòng)時(shí)的照明需求，配合主動(dòng)發(fā)光的850nm紅外LED標(biāo)記點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)戶外捕捉，在室內(nèi)光線環(huán)境復(fù)雜的情況下，也可以排除其他光線的干擾。

這套基于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的多旋翼無(wú)人機(jī)定位與定向的解決方案，幫助用戶快速、穩(wěn)定、可靠地解決空間定位和定向的難題。這些數(shù)據(jù)不僅精確到0.1mm和0.1°，且傳輸延遲最多5.5ms，與實(shí)時(shí)無(wú)異，符合并超過(guò)用戶的實(shí)際需求。越來(lái)越多的多旋翼無(wú)人機(jī)公司運(yùn)用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)創(chuàng)造出新穎的應(yīng)用和概念，比如憑借大疆四旋翼無(wú)人機(jī)上頭條的汪峰求婚，KMel Robotics的微蜂無(wú)人機(jī)音樂(lè)會(huì)，雷克薩斯的廣告Amazing in Motion等等。在科研領(lǐng)域的前十年，賓夕法尼亞大學(xué)的GRASP實(shí)驗(yàn)室、蘇黎世聯(lián)邦理工的Flying Machine Arena、MIT等獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，創(chuàng)造一系列高價(jià)值的實(shí)驗(yàn)成果，并商業(yè)應(yīng)用成功。去年伊始，百度、大疆、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、天津大學(xué)等重啟對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)定位與定向的研究，受益于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，他們將更專(zhuān)注地創(chuàng)造核心內(nèi)容與價(jià)值。