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光學動作捕捉系統(tǒng)在四旋翼無人機飛控過程中的應用

多旋翼無人機一定是從實驗室飛出去的。多旋翼無人機開發(fā)過程中需要一把高精度“尺子”來實時測量其位姿信息及運動軌跡。目前市面上非常好的工具是光學動作捕捉系統(tǒng)，動作捕捉可以對無人機的飛行軌跡進行動態(tài)的測量和定位。那光學動作捕捉系統(tǒng)在四旋翼開發(fā)過程中到底起到了什么作用呢？

先下一個定義，光學動作捕捉系統(tǒng)相當于多旋翼無人機算法的一把“尺子，能夠?qū)崟r以0.1mm精度捕捉多旋翼無人機6DoF位姿信息。

光學動作捕捉系統(tǒng)在四旋翼無人機飛控過程中起到的重要作用如下：

1、算法驗證，定位精度達0.1mm。開發(fā)人員不用考慮定位問題，可以直接鉆研控制算法問題。有助于算法的開發(fā)、驗證、優(yōu)化。

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圖1 多旋翼無人機飛控開發(fā)驗證

2、集群定位，在多智能體集群控制系統(tǒng)中，光學動作捕捉系統(tǒng)可以使得智能體知道“我”在哪？“你”在哪？“我”下一步要做什么？

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圖2 多智能體集群控制技術(shù)框架

3、軌跡跟蹤，可以高精度實時捕捉四旋翼無人機的飛行軌跡，且提供6DoF位姿坐標。

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圖3 多旋翼無人機軌跡追蹤驗證

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圖4 多旋翼無人機運動狀態(tài)識別框架

自從無人機的概念提出以后，多旋翼的研究一直是無人機研究領(lǐng)域的熱點之一，隨著新型材料、微機電系統(tǒng)（MEMS），傳感器技術(shù)和飛行控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，多旋翼無人機的機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，多旋翼無人機得到了快速發(fā)展。近年來，多旋翼無人機不管是科學方面研究還是在商業(yè)化方面都有越來越多的關(guān)注，廣泛應用于知名高校，企業(yè)和科研機構(gòu)。

下面我們看看國外的頂尖實驗室都在做什么？

【麻省理工學院】

麻省理工學院（Massachusettes Instiute of Technology,MIT）的RAVEN（Real-Time Indoor Autonomous Vehcile Test Environment）實驗室，內(nèi)部裝有18臺光學動作捕捉相機，可以實現(xiàn)無人機的室內(nèi)實時定位，實驗室內(nèi)還有多輛自主的地面小車，研究對象由Draganflyer V Ti Pro多旋翼無人機和無人小車組成。MIT的無人機集群康管理計劃（UAV SWARM Health Management Project）主要研究多架無人機的任務管理、任務分配和軌跡追蹤算法，目前該項目已完成了室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無人機的飛行演示。圖5為多架四旋翼無人機對目標進行連續(xù)搜索和跟蹤實驗，圖6為多機系統(tǒng)和編隊飛行實驗。

圖5 無人機目標搜索和跟蹤實驗

圖6 十架無人機多機協(xié)同

【斯坦福大學】

斯坦福大學（Stanford University）的STARMASC（Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for MultiAgent Control）項目是為了測試和驗證多機算法和控制策略，它包含多個能夠使用GPS和IMU傳感器進行軌跡跟蹤的四旋翼飛行器。Hoffmann G M團隊基于斯坦福大學的試驗臺，首先將四旋翼無人機的非線性模型線性化，然后使用LQR控制方法設計了姿態(tài)控制器，使用滑�？刂品椒ㄔO計了高度控制器，并取得了良好的控制效果。

【賓西法尼亞大學】

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，并且基于光學動作捕捉系統(tǒng)搭建了無人機測試平臺，主要研究對象如圖7所示。主要研究內(nèi)容包括對多旋翼無人機的搭建、多旋翼無人機自主飛行控制算法和多架無人機系統(tǒng)控制算法的研究。通過大量實驗，GRASP實驗室已經(jīng)取得了很多創(chuàng)新成果，在該無人機測試平臺下，無人機體現(xiàn)出很大的機動性，能夠完成無人機集群航跡追蹤、協(xié)同合作和編隊飛行等測試，圖8為多旋翼無人機協(xié)同飛行。

圖7 賓夕法尼亞大學Hummingbird

圖8 多旋翼無人機協(xié)同飛行

【瑞士聯(lián)邦理工學院】

近幾年瑞士聯(lián)邦工學院在四旋翼無人機方面取得了突出的成果，2007年，基于光學動作捕捉系統(tǒng)建立了FMA（Flying Machine Arena）測試平臺，測試平臺內(nèi)部安裝了8個光學動作捕捉系統(tǒng)的相機。在FMA測試平臺的環(huán)境下，D‘Andrea R團隊在研究飛行器自主飛行控制、飛行機構(gòu)設計、室內(nèi)光學動作捕捉系統(tǒng)和高機動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演示，在2011年12月發(fā)過奧爾良的公開演示中，多個四旋翼無人機協(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人機。

圖9 四旋翼無人機抓取泡沫抓塊

【關(guān)于光學動作捕捉系統(tǒng)】

光學動作捕捉系統(tǒng)較早用在影視特效行業(yè)，隨著無人機等智能體技術(shù)高速發(fā)展，其也逐漸成為智能體開發(fā)的有利工具，動作捕捉在無人機研發(fā)與設計中起著至關(guān)重要的作用。

【捕捉的數(shù)據(jù)】

圖11 無人機光學動作捕捉系統(tǒng)捕捉的數(shù)據(jù)

【支持的格式和接口】

圖12 光學動作捕捉系統(tǒng)提供的SDK

圖13 系統(tǒng)構(gòu)成

光學動作捕捉相機捕捉空間內(nèi)智能體，無人機、小車的位姿信息給到上位機，上位機得到信息后經(jīng)過控制算法給出控制信號，通過無線的方式發(fā)給智能體，這樣多智能體就實現(xiàn)了集群控制。

無人機無論對于軍用還是民用都有著不可估量的前景，作為無人機算法的一把“尺子”我們愿意為我們國家的科研和創(chuàng)新貢獻自己的一份力量，非常歡迎無人機科技公司和高校、科研院所的科研、技術(shù)人員一起溝通探討。

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