多旋翼無(wú)人機(jī)一定是從實(shí)驗(yàn)室飛出去的。多旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要一把高精度“尺子”來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量其位姿信息及運(yùn)動(dòng)軌跡。目前市面上非常好的工具是光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，動(dòng)作捕捉可以對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)的測(cè)量和定位。那光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在四旋翼開(kāi)發(fā)過(guò)程中到底起到了什么作用呢？
先下一個(gè)定義，光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)相當(dāng)于多旋翼無(wú)人機(jī)算法的一把“尺子，能夠?qū)崟r(shí)以0.1mm精度捕捉多旋翼無(wú)人機(jī)6DoF位姿信息。
光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在四旋翼無(wú)人機(jī)飛控過(guò)程中起到的重要作用如下：
1、算法驗(yàn)證，定位精度達(dá)0.1mm。開(kāi)發(fā)人員不用考慮定位問(wèn)題，可以直接鉆研控制算法問(wèn)題。有助于算法的開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證、優(yōu)化。
圖1 多旋翼無(wú)人機(jī)飛控開(kāi)發(fā)驗(yàn)證2、集群定位，在多智能體集群控制系統(tǒng)中，光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以使得智能體知道“我”在哪？“你”在哪？“我”下一步要做什么？
圖2 多智能體集群控制技術(shù)框架
3、軌跡跟蹤，可以高精度實(shí)時(shí)捕捉四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行軌跡，且提供6DoF位姿坐標(biāo)。
圖3 多旋翼無(wú)人機(jī)軌跡追蹤驗(yàn)證
圖4 多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別框架
自從無(wú)人機(jī)的概念提出以后，多旋翼的研究一直是無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，隨著新型材料、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），傳感器技術(shù)和飛行控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)身體積和重量大大減輕，結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性也得到了很大的優(yōu)化，多旋翼無(wú)人機(jī)得到了快速發(fā)展。近年來(lái)，多旋翼無(wú)人機(jī)不管是科學(xué)方面研究還是在商業(yè)化方面都有越來(lái)越多的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于知名高校，企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)。
下面我們看看國(guó)外的頂尖實(shí)驗(yàn)室都在做什么？
麻省理工學(xué)院（Massachusettes Instiute of Technology,MIT）的RAVEN（Real-Time Indoor Autonomous Vehcile Test Environment）實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)部裝有18臺(tái)光學(xué)動(dòng)作捕捉相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的室內(nèi)實(shí)時(shí)定位，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還有多輛自主的地面小車(chē)，研究對(duì)象由Draganflyer V Ti Pro多旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人小車(chē)組成。MIT的無(wú)人機(jī)集群康管理計(jì)劃（UAV SWARM Health Management Project）主要研究多架無(wú)人機(jī)的任務(wù)管理、任務(wù)分配和軌跡追蹤算法，目前該項(xiàng)目已完成了室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行演示。圖5為多架四旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索和跟蹤實(shí)驗(yàn)，圖6為多機(jī)系統(tǒng)和編隊(duì)飛行實(shí)驗(yàn)。圖5 無(wú)人機(jī)目標(biāo)搜索和跟蹤實(shí)驗(yàn)圖6 十架無(wú)人機(jī)多機(jī)協(xié)同斯坦福大學(xué)（Stanford University）的STARMASC（Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for MultiAgent Control）項(xiàng)目是為了測(cè)試和驗(yàn)證多機(jī)算法和控制策略，它包含多個(gè)能夠使用GPS和IMU傳感器進(jìn)行軌跡跟蹤的四旋翼飛行器。Hoffmann G M團(tuán)隊(duì)基于斯坦福大學(xué)的試驗(yàn)臺(tái)，首先將四旋翼無(wú)人機(jī)的非線性模型線性化，然后使用LQR控制方法設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器，使用滑模控制方法設(shè)計(jì)了高度控制器，并取得了良好的控制效果。賓夕法尼亞大學(xué)的GRASP（General Robotics，Automation，Sensing and Perception）實(shí)驗(yàn)室對(duì)無(wú)人機(jī)的控制進(jìn)行了大量研究，并且基于光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)搭建了無(wú)人機(jī)測(cè)試平臺(tái)，主要研究對(duì)象如圖7所示。主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的搭建、多旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行控制算法和多架無(wú)人機(jī)系統(tǒng)控制算法的研究。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，GRASP實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得了很多創(chuàng)新成果，在該無(wú)人機(jī)測(cè)試平臺(tái)下，無(wú)人機(jī)體現(xiàn)出很大的機(jī)動(dòng)性，能夠完成無(wú)人機(jī)集群航跡追蹤、協(xié)同合作和編隊(duì)飛行等測(cè)試，圖8為多旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行。圖7 賓夕法尼亞大學(xué)Hummingbird圖8 多旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行近幾年瑞士聯(lián)邦工學(xué)院在四旋翼無(wú)人機(jī)方面取得了突出的成果，2007年，基于光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)建立了FMA（Flying Machine Arena）測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)內(nèi)部安裝了8個(gè)光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的相機(jī)。在FMA測(cè)試平臺(tái)的環(huán)境下，D‘Andrea R團(tuán)隊(duì)在研究飛行器自主飛行控制、飛行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、室內(nèi)光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和高機(jī)動(dòng)智能飛行方面取得了比較豐碩的成果，并在全球各地做了多次公開(kāi)演示，在2011年12月發(fā)過(guò)奧爾良的公開(kāi)演示中，多個(gè)四旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同合作完成了泡沫磚塔的搭建，圖9位正在抓取泡沫磚塊的四旋翼無(wú)人機(jī)。【關(guān)于光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)】光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)較早用在影視特效行業(yè)，隨著無(wú)人機(jī)等智能體技術(shù)高速發(fā)展，其也逐漸成為智能體開(kāi)發(fā)的有利工具，動(dòng)作捕捉在無(wú)人機(jī)研發(fā)與設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。
圖12 光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)提供的SDK
圖13 系統(tǒng)構(gòu)成
光學(xué)動(dòng)作捕捉相機(jī)捕捉空間內(nèi)智能體，無(wú)人機(jī)、小車(chē)的位姿信息給到上位機(jī)，上位機(jī)得到信息后經(jīng)過(guò)控制算法給出控制信號(hào)，通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)給智能體，這樣多智能體就實(shí)現(xiàn)了集群控制。
無(wú)人機(jī)無(wú)論對(duì)于軍用還是民用都有著不可估量的前景，作為無(wú)人機(jī)算法的一把“尺子”我們?cè)敢鉃槲覀儑?guó)家的科研和創(chuàng)新貢獻(xiàn)自己的一份力量，非常歡迎無(wú)人機(jī)科技公司和高校、科研院所的科研、技術(shù)人員一起溝通探討。
