基於光學動捕系統四旋翼飛行器的研究與思考

1、引子

2019年全國大學生電子設計競賽（國賽）控制類題目B題為巡線機器人，類似於無人機電力巡檢。要求在室內無人機從起始點起飛後沿線巡檢，拍攝線纜上異物及二維碼，繞兩杆飛行一週，時間短者獲勝。如圖1所示賽題要求。由題目可知要想完成題目最終要的是四旋翼要懸停準、飛的穩，故四旋翼的懸停至關重要。實際應用中，四旋翼所實現的功能也是建立在穩定懸停基礎上來實現其他功能的。

圖1 2019年全國大學生電子設計競賽無人機賽題

2、定點懸停案例

基於光學動捕系統四旋翼飛行器室內定點懸停Simulink程式。程式實現原理分三部分：和pixhawk飛控的串列埠通訊模組、室內光學動捕定位系統、位置誤差轉換為飛行器姿態控制。

串列埠通訊。無線數傳支援全雙工，為了不丟失資料，需要在地面站軟體中用兩個執行緒分別來進行串列埠的讀寫操作。程式機構如圖2：

圖2 程式結構圖

該程式用C++語言寫成，然後在MATLAB中用mex命令轉化為mex64檔案，在s函式中呼叫。最終實現的Simulink模組如圖3：

圖3 Simulink模組

室內光學動捕定位系統悟空TM從理論上說，對於三維空間中的一個點，只要這個點P能夠同時為兩部相機所見，則根據同一時刻兩部相機所拍攝的影象和兩臺相機之間的相對位置關係及相機引數，可以唯一確定這一時刻點P在三維空間裡的位置資訊，這就是雙目定位的原理。如圖4。

悟空TM光學動捕系統在相機周圍放置紅外發光陣列，在目標物上固定高反射紅外光的標誌點小球（被動光marker點）如圖5，加裝紅外光濾波片的相機即可以很好的捕獲空間中發射紅外光的標誌點，並將可見光部分的背景濾掉。悟空TM光學動捕系統工作原理如圖6，悟空TM光學動捕系統軟體介面如圖7。

圖5 被動光marker點

悟空TM光學動捕系統一般使用6臺以上的相機，相當於15（c62）對雙目。系統精度很高，定位精度達0.1mm。然後高精度的點座標根據預先建立的再四旋翼飛行器上的4個點所代表的剛體資訊來解算飛行器的質心位置和位姿。

位置誤差轉為姿態誤差。四旋翼飛行器最常見的控制方法是分層控制。最低級別的是控制螺旋槳的轉速。下一級別是飛行器的姿態控制，最高級別的是飛行器的航跡控制，控制框圖如圖8所示。

圖8 控制框圖

在獲取到悟空TM光學動捕系統傳回的飛行器位置和姿態後，可以根據當前的期望航點計算需要的姿態控制量。這個計算可以再Simulink模組中實現，然後給飛行器傳送姿態命令。Simulink中實現的流程圖如圖9。

圖9 Simulink流程圖

介面互動部分。整體地面站軟體分別兩個部分，選單部分有"檔案"、"設定"、"顯示"、"幫助"4個選項，介面部分把各動能模組分面板進行組織，分別為設定面板，控制面板，顯示面板和狀態面板。如圖10。

圖10 控制面板

設定面板用來在建立連線前是指連線引數，包括串列埠號，波特率，悟空TM光學動捕系統伺服器IP地址，本機IP地址等。控制面板實現開工至模擬程式的執行、航點的設定、命令的傳送、座標系的標定等功能。顯示面板用來顯示飛行器的實時姿態和位置，可以用圖和表兩種方式來表示，需要時可切換。

3、多旋翼飛行器研究的關鍵問題

多旋翼無人機具有結構簡單、控制靈活、機動性強、垂直起降和飛行安全等特點，憑藉其良好的機動性、優越的懸停和低速飛行效能受到廣泛關注，多旋翼的發展依然存在著很多的關鍵技術的挑戰。

多旋翼無人機室內定位與導航技術。傳統的無人機通常使用慣性導航系統（INS）和全球定位系統（GPS）相結合的方式實現無人機的定位與導航。但是在一些環境下，由於建築物的遮擋或者無線電干擾等因素的存在，導致GPS訊號弱，設定有的時候完全不可用，所以研究一種無GPS環境下的導航方式成為目前的研究中需要攻克的技術難題。由於室內多旋翼無人機的慣性導航系統的零漂嚴重，在短時間內有很高的定位精度。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，需要與其它感測器配合使用。盡年來，越來越多的學者將鐳射測距儀和視覺感測器引入無人機的定位與導航，其中視覺裝置，包括機載視覺和外部視覺，外部視覺主要是光學動捕系統。另外還有藍芽定位，寬頻技術（Ultra-WideBand，UWB）定位，WiFi定位、超聲波定位，照明裝置定位也應用於室內定位與導航中。本文所討論的是光學動捕系統。

基於鐳射測距儀的室內導航定位。近幾年，基於鐳射測距儀的定位導航技術被應用於無人機平臺上，其中典型的代表是德國Ascending Technologics GmbH公司生產的一款名為ASCTEC PELICAN的多旋翼無人機，如圖11所示，由於特殊的機構可以攜帶更多的機載裝置。如圖12中所示，標記1為鐳射測距儀。該測距儀有效工作探測距離是30米，視場角是270度，測量頻率是40Hz，在不需要知道外界環境的情況下，只依靠自身的機載感測器裝置，根據穩定的控制系統，研究團隊開發了一款可以再室內走廊和大廳環境下實現自主導航的定位系統。

圖11 多旋翼無人機ASCTEC PELICAN

圖12 MIT使用的多旋翼無人機

機載視覺感測器的定位。機載視覺定位導航主要包括單目視覺主要依靠攝像機來標定，目標的距離資訊是通過目標特徵和影象之間的對應關係計算出的。具體方法是在測量的地面上鋪設與當前地面有顏色區分的參考線，通過機載視覺感測器採集到的影象資訊與參考特徵的位置資訊。其中雙目視覺被稱為立體視覺，具體是通過兩個攝像頭獲取左右兩個相機採集到的影象相位差，同時結合相機模型建立的空間投影關係得到位置資訊。視覺導航得到的位置資訊可以應用於無人機的室內飛行，但由於其資訊量大，處理距離的演算法比較複雜，容易導致導航要求的實時性不高，同時容易受到環境的光影影響，所以沒有得到大面積的應用。

外部視覺感測器。光學動捕系統是一種最常見的外部視覺感測器，它是基於計算機視覺原理，依靠安裝在無人機機身上的特殊紅外標誌物，通過外部環繞場地排列的多個攝像頭來測量運動物體在空間的運動狀態。今年來，多所高校在光學動捕系統的環境下，展開了一系列的研究，並取得了豐碩的成果，代表性高校有瑞士聯邦理工學院、賓夕法尼亞大學、麻省理工大學和楊百翰大學等。如圖13為瑞士聯邦理工學院測試平臺FMA概念圖，圖14為楊百翰大學光學動捕系統測試平臺概念圖。MIT和Jon athan P.How 教授基於光學動捕系統建立了測試平臺RAVEN，設計了一套室內環境下實時跟蹤及位姿估計得系統。賓西法尼亞大學的Nathan Michacl教授基於光學動捕系統建立測試平臺Multiple Micro-UAV Test Bed，實現了室內環境下多機協同。瑞士聯邦理工學院的Raffaello D'Andrea教授依靠高解析度的外部攝像機，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。

圖13 FMA光學動捕系統概念圖

圖14 楊百翰大學光學動捕系統概念圖

4、國外高校案例

（1） 麻省理工學院

麻省理工學院（Massachusettes Institute of Technology，MIT）的RAVEN(Real-Time Indoor Auto no mous Vehicle Tese Encironment)實驗室，內部裝有18臺運動捕捉攝像機，可以實現無人機的室內定位，實驗室內還有多輛自主的地面小車，研究物件有Draganflyer V Ti Pro 多旋翼無人機和無人小車組成。MIT的無人機叢集健康管理計劃（UAV SWARM Health Management Project）主要研究多架無人機的飛行演示。圖15為多架四旋翼無人機對目標進行連續搜尋和跟蹤實驗，圖16為多機協同和編隊實驗。

圖15 無人機目標搜尋和跟蹤實驗

圖16 十架無人機多機協同

（2） 斯坦福大學

斯坦福大學（Stanford University）的STARMAC（Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for MultiAgent Control）專案是為了測試和驗證多機演算法和控制策略，它包含多個能夠使用GPS和IMU感測器進行軌跡跟蹤的四旋翼飛行器。Hoffmann G M團隊基於斯坦福大學的試驗檯，首先將四旋翼無人機的非線性模型線性化，然後使用LQR控制方法設計了姿態控制器，使用滑模控制方法設計了高度控制器，並取得了良好的控制效果。

（3） 賓夕法尼亞大學

賓夕法尼亞大學的GRASP（General Robotics,Automation,Sensing and Perception）實驗室對無人機的控制進行了大量研究，並基於光學動捕系統搭建了無人機測試平臺，主要研究物件如圖17所示。主要研究內容包括對多旋翼無人機的建模、多旋翼無人機自主飛行控制演算法和多架無人機協同控制演算法的研究。通過大量實驗，GRASP實驗室已經取得了很多創新成果，在該無人機測試平臺下，無人機體現出很大的機動性，能夠完成無人機叢集航跡追蹤、協同合作和編隊飛行等測試，圖18為多旋翼無人機協同飛行。

圖17 賓夕法尼亞大學Hummingbird

圖18 多旋翼無人機協同飛行

（4） 瑞士聯邦理工學院

近幾年瑞士聯邦理工學院在四旋翼無人機方面取得了突出的成果，2007年，基於光學動捕系統建立了FMA（Flying Machine Arena）測試平臺，測試平臺內部安裝了八個光學動捕系統攝像頭。在FMA測試平臺的環境下，D'Andrea R團隊在研究飛行器自主飛行控制律、飛行結構設計、室內光學動捕系統和高機動智慧飛行方面得到了比較豐碩的成果，並在全球各地做了多次公開演示，在2011年12月發過奧爾良的公開演示中，多個四旋翼無人機協同合作完成了泡沫磚塔的搭建，圖19為正在抓取泡沫磚塊的四旋翼無人機。

圖19 四旋翼無人機抓取泡沫磚塊

5、關於無人機研究的思考

無論對軍用還是民用，無人機的研究都具有戰略意義。在軍用領域、無人機的叢集、空地聯動、察打一體等有著至關重要的作用。民用領域無人機航拍、植保、航測、物流運輸等同樣有著不可限量的市場前景。

科技的進步依靠的是高校和科研院所的科研人員的付出與努力，是建立在教育的基石上，是整個社會進步的原動力。近期米國對中國晶片等領域的斷供，對華為、位元組、騰訊等科技企業的打壓都說明一個問題，科技要掌握在我們自己的手裡，要有自己的技術、人才儲備，自強則萬強。我們必須承認在科技領域我們還有一定的距離需要追趕，但是種一棵樹最好的時間就是十年前和現在。從現在開始我們就要更加的注重科技、科研、技術、人才的培養建立沉澱。

腳踏實地、實事求是，我等後浪需自強。