案例分享 | 北航基於不可見投影標簽的無人機室內定位方案

四旋翼飛行器是應用較廣泛地飛行機器人之一，近年來隨著其應用的普及，對交通、環境保護和農(nong) 業(ye) 等民用任務產(chan) 生了重大影響。現實應用場景中的複雜任務主要給無人機的感知、決(jue) 策、和靈活飛行控製等方麵帶來挑戰，這也是科研人員研究的熱門方向。

在研究的實驗階段，為(wei) 了降低實驗風險，研究人員會(hui) 優(you) 先選擇在室內(nei) 進行飛行驗證試驗。但在室內(nei) 環境測試存在兩(liang) 個(ge) 問題:首先是室內(nei) 環境隻是對實際任務場景的簡單抽象，無法為(wei) 觀察者提供足夠的視覺信息；此外由於(yu) 室內(nei) 無法接收到全球係統信號，四旋翼飛行器需要替代方法進行室內(nei) 定位。

/ 室內(nei) 定位方案對比

北京大學的研究人員提出了一種基於(yu) 不可見投影標簽的定位方法（IPT），方法融合了AR可視化場景和定位，不使用額外的室內(nei) 定位設備，利用投影信息實現定位。

整體(ti) 方案分為(wei) 發送端和接收端。

/ IPT方法工作流

對於(yu) 發送端，首先利用調製算法在動態視頻中嵌入一個(ge) 肉眼不可見的AprilTag二維碼，此過程利用人眼視覺係統 (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，人眼無法捕捉到這種波動，而是感知平均亮度）。然後用投影儀(yi) 將調製好的視頻投影到地麵，為(wei) 四旋翼飛行器和觀眾(zhong) 提供一個(ge) 視覺上的AR環境。

對於(yu) 接收端，無人機上搭載一個(ge) 高速相機用於(yu) 捕捉圖像信息，然後執行解調算法，從(cong) 視頻中獲得標簽角的三維(3D)世界坐標及其二維(2D)投影。

最後，將這些坐標與(yu) 相機參數一起輸入到姿態估計器來計算無人機位姿。位姿數據通過WIFI傳(chuan) 輸至發送端來改變視頻內(nei) 容

為(wei) 了驗證IPT定位係統的性能，研究人員開發了一套實驗係統。

實驗中，發送端采用兩(liang) 台激光投影儀(yi) ，在2.17m×2.47m場地形成一個(ge) 1920×210分辨率的屏幕，以60Hz投影視頻流。接收端采用270mm軸距無人機，無人機搭載了120FPS全局快門彩色相機來消除果凍效應（rolling shutter effect）。

/ 驗證方案設計

研究人員還在場地中部署了光學動作捕捉係統和UWB係統作對比。其中由淩雲(yun) 光·元客視界提供的動捕係統在實驗中作為(wei) 係統真值ground truth（定位精度可以達到亞(ya) 毫米級，角度精度達到0.01°）。

/ 淩雲(yun) 光·元客視界Swift係列紅外動捕相機

在實驗過程中，利用IPT方法共采集了625組有效數據，為(wei) 了顯示原始定位效果，數據未經過濾波。動作捕捉、UWB和IPT的定位對比結果如圖所示。

/ 定位結果對比

為(wei) 了定量分析結果，以光學動捕測量數據作為(wei) 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(you) 於(yu) UWB係統，但是在X和Y方向振蕩更大。對於(yu) 姿態角度，UWB無法測量相關(guan) 數據，IPT係統可以得到可接受的角度數據。

元客視界是淩雲(yun) 光設立的全資子公司，主要麵向雲(yun) 宇宙虛擬現實、Web3.0時代數字人、沉浸媒體(ti) 、全息通信、計算光學成像等應用，已形成光場建模、運動捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內(nei) 的產(chan) 品布局。

FZMotion光學運動捕捉係統是元客視界自主開發的運動捕捉采集與(yu) 分析係統，可以實時跟蹤測量並記錄三維空間內(nei) 點的軌跡、剛體(ti) 的運動姿態以及人體(ti) 動作，空間定位精度可以達到亞(ya) 毫米級。

FZMotion動捕係統在無人機室內(nei) 定位、仿生機器人運動規劃、機械臂示教學習(xi) 、氣浮台位姿驗證、水下運動捕捉等領域得到廣泛應用，目前已經與(yu) 清華大學、中國科學技術大學、北京大學、北京理工大學、哈爾濱工業(ye) 大學等高校開展合作。淩雲(yun) 光·元客視界致力於(yu) 為(wei) 高校提供完備的解決(jue) 方案，助力科研發展。