基於光學運動捕捉技術的多旋翼無人機定位與定向的解決方案

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理查德·施特勞斯，德國浪漫派晚期最後的一位偉大的作曲家，同時又是交響詩及標題音樂領域中最大的作曲家。1896年施特勞斯根據尼採的著作完成了敘事性交響樂《查拉圖斯特拉如是說》。時隔118年後，在美國華盛頓舉行的美國科技年會上，一群名叫「微蜂」的多旋翼無人機非常嫻熟地演奏了施特勞斯的這部交響樂作品，技驚全場（如圖1）。這場別開生面的音樂會的主角由人變為多旋翼無人機，然而精湛的演奏技藝是由美國KMel Robotics團隊支撐，他們來自賓夕法尼亞大學機械工程系著名的GRASP實驗室。團隊主要人員賓夕法尼亞大學教授Vijay Kumar直言：「研發這樣一套敏捷的機器人系統需要一種在高速運動的情況下提供實時的定位和定向的解決方案。」GRASP實驗室將目光聚焦在光學運動捕捉技術上。

圖1 「微蜂」多旋翼無人機組演繹《查拉圖斯特拉如是說》

光學運動捕捉技術主要是基於計算機圖形學原理，從理論上說，對於三維空間中的一個點，只要這個點能同時為兩部攝像機所見，則根據同一時刻兩部攝像機所拍攝的圖像和對應參數，可以確定這一時刻該點在三維空間里的位置信息。當攝像機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。利用這個原理，通過對目標物體上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。

光學運動捕捉技術的原理與GRASP實驗室的需求不謀而合，它給GRASP實驗的研究帶來了三個好消息：

第一，高速，光學運動捕捉系統擁有至少100FPS的拍攝速度；

第二，高精度，光學運動捕捉系統擁有0.1mm的定位精度；

第三，魯棒性，光學運動捕捉系統是跟蹤多旋翼無人機上固定的剛體結構，跟蹤數據幾乎不會丟失。

擁有這些優勢，對於研發無人機的團隊來說，正如GRASP實驗室的Daniel Mellinger博士所言，「光學運動捕捉系統避免我們走彎路，我們只需要聚焦在無人機的動力學和控制的研究上即可」。

本文筆者將詳細介紹光學運動捕捉系統如何解決多旋翼無人機在高速飛行過程中的定位和定向的問題。

飛行場地 光學運動捕捉系統是該解決方案的核心，首先根據自身條件選擇多旋翼無人機飛行的場地，根據場地大小，選擇合適數量的運動捕捉攝像機，通常需要8台以上（如圖2）。

圖2 系統三維圖（以8台攝像機為例的系統）

建立剛體 根據光學運動捕捉技術的原理，多台攝像機同步發射紅外光線，在三維空間里，目標物體表面固定特製的標記點（如圖3），標記點可在紅外光線下強烈反光，通過識別演算法提取標記點的空間位置信息。因此，光學運動捕捉系統並非採集多旋翼無人機的飛行視頻圖像，而是固定在多旋翼無人機上的標記點（如圖4），繼而得出點的位置數據。然而，當空間里存在一架以上的多旋翼無人機時，單一的標記點無法區別多架多旋翼無人機，需要多個標記點組成不同形狀的結構便於區分。由多個標記點組成，體積和形狀不會隨著自身的移動而改變，稱之為「剛體」。當不同的多旋翼無人機固定不同結構的剛體時，區分便很容易做到。

圖3 被動式標記點

圖4多旋翼無人機上的標記點

實時定位 多旋翼無人機在光學運動捕捉系統的軟體中是被識別為不同結構的剛體（如圖5）。多旋翼無人機的飛行產生了空間位置的變化，映射在軟體里（如圖6），即六自由度數據的實時變化。Six Degrees of Freedom（6DoF），即六自由度，包括三維空間XYZ軸坐標，偏航角Yaw，橫搖角Roll，俯仰角Pitch。這些數據既可以實時預覽，又可以實時廣播出去。

圖5 由4顆標記點組成的剛體

圖6 六自由度數據實時預覽

實時校正 多旋翼無人機實時的六自由度數據傳遞到飛行控制系統（簡稱飛控系統），作為實際的參考數據，來校正多旋翼無人機的飛行軌跡，確保其在事先設定的航線上飛行。多架多旋翼無人機按照指定的軌跡或數據飛行，即形成了整齊的編隊飛行效果（如圖7）。

圖7 由20架多旋翼無人機的編隊飛行

凌雲公司運用OptiTrack光學運動捕捉系統打造一套定位多旋翼無人機飛行軌跡的解決方案，具有高性價比，穩定抗干擾，高精度，同步跟蹤多個目標物，實時的六自由度數據流等優勢特性。

OptiTrack是美國NaturalPoint公司旗下的光學運動捕捉系統的品牌，公司致力於為個人用戶提供最性價比的光學運動捕捉系統。2010年，凌雲公司與OptiTrack建立合作關係，逐年搶佔Vicon和Motion Analysis兩大老牌光學運動捕捉系統的市場。2014年，OptiTrack登上北美銷量第一的寶座，全球總銷量也躍居第二。Prime系列是OptiTrack的高端系列，適用於遊戲與動畫製作，運動跟蹤，力學分析，以及投影映射等應用方向。多旋翼無人機的飛行定位正是光學運動捕捉技術的原理所要做的事。

產品型號

Prime 41

Prime 17W

Prime 13

圖片

成像晶元

解析度：2048 x 2048

幀速：30-180FPS（可調）

延遲：5.5ms

快門：全局快門

解析度：1664 × 1088

幀速：30-360FPS（可調）

延遲：2.8ms

快門：全局快門

解析度：1280 × 1024

幀速：30-240FPS（可調）

延遲：4.2ms

快門：全局快門

捕捉範圍

30米

15米

12米

LED

170顆850nm紅外

20顆850nm紅外超高功率

62顆850nm紅外

圖像處理模式

目標，分割，原始灰度，MJPEG灰度

捕捉精度

0.1mm

視場角

51° x 51°

70° x 49°

56° x 46°

數據傳輸與供電

數據介面：千兆網

電源：PoE或PoE+

數據介面：千兆網

電源：PoE或PoE+

數據介面：千兆網

電源：PoE

表1 Prime系列運動捕捉攝像機參數

Prime 41 在全世界各類光學運動捕捉品牌的產品中，它擁有遙遙領先的捕捉範圍——30米，獨特的屬性讓其能夠在飛行場地的擴容性方面擁有領先優勢。410萬像素的光學解析度，保證在30米遠處使用小到幾毫米的標記點也能被正確識別（如圖8）。

圖8 標記點在30米遠處被正確識別

Prime 17W 它解決了運動捕捉攝像機極少實現的雙重功能——視場角和工作距離最大化（如圖9）。在有限的15mx15m的實驗室或工作室里，它能夠提供全世界最大的捕捉空間和360FPS的採集幀速，保證多旋翼無人機能夠高速飛行。

圖9 視場角和工作距離最大化

Prime 13 即使在只有130萬像素的光學解析度下，它依然憑藉精確的識別演算法保證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比的高速運動捕捉攝像機。大疆公司的工程師們直言：「0.1mm的捕捉精度對於修正飛控系統很關鍵。」

除了優秀的運動捕捉攝像機性能，筆者認為OptiTrack的Prime系列恰到好處地解決了最終用戶在實際使用中的幾個關鍵點：

第一，數據和供電一體化。Prime系列的運動捕捉攝像機僅有一個千兆網介面（如圖10），千兆網線不僅將數據傳遞到客戶端，還起到供電線纜的作用，這便是PoE，即Power over Ethernet。數據和供電一體化使得用戶僅需一根千兆網線即可實現數據傳輸和攝像機供電，減少系統布線的壓力，增加使用的便捷性。

圖10 PoE介面

第二，通用的擴展硬體。Prime系列的運動捕捉攝像機都是連接到通用的交換機設備上，如思科、網件的數據交換機。百度公司的工程師徐立人介紹道：「如果未來我們想擴大捕捉場地，只需要增加攝像機的數量，並且再增加同一型號的交換機，便可實現攝像機的並聯，這就很方便了，而且這些交換機都是通用的品牌。」

第三，輔助瞄準。這個按鈕讓一個人即可完成整個運動捕捉系統的安裝設置。按下輔助瞄準按鈕，軟體界面將顯示全屏的2D圖像預覽視角，通過設置灰度、曝光改善畫面亮度和清晰度（圖11）。整個過程無需別人協助，無需操作軟體。

圖11 輔助瞄準按鈕

第四，開源的SDK和API訪問。NatNet SDK是免費的實時數據流通道開發包，支持C/C++編譯，支持UDP協議，支持點對點（Point-To-Point）或多點（IP Multicasting）傳輸。另外，用戶可以基於Motive的API開發應用程序直接控制系統，完全替代Motive：Tracker的原始用戶界面。中科院瀋陽自動化研究所的華春生博士表示：「我對VRPN或Trackd的傳輸方式不信任，NatNet是開源的，我可以自定義我能夠信任的方式。」

第五，戶外性。OptiTrack獨特的照明專利技術，利用LED陣列加快放電速度，滿足捕捉超快運動時的照明需求，配合主動發光的850nm紅外LED標記點（圖12），不僅可以實現戶外捕捉，在室內光線環境複雜的情況下，也可以排除其他光線的干擾。

圖12 主動式標記點

這套基於光學運動捕捉技術的多旋翼無人機定位與定向的解決方案，幫助用戶快速、穩定、可靠地解決空間定位和定向的難題。這些數據不僅精確到0.1mm和0.1°，且傳輸延遲最多5.5ms，與實時無異，符合併超過用戶的實際需求。越來越多的多旋翼無人機公司運用光學運動捕捉系統創造出新穎的應用和概念，比如憑藉大疆四旋翼無人機上頭條的汪峰求婚，KMel Robotics的微蜂無人機音樂會，雷克薩斯的廣告Amazing in Motion等等。在科研領域的前十年，賓夕法尼亞大學的GRASP實驗室、蘇黎世聯邦理工的Flying Machine Arena、MIT等獨領風騷，創造一系列高價值的實驗成果，並商業應用成功。去年伊始，百度、大疆、瀋陽自動化研究所、天津大學等重啟對多旋翼無人機定位與定向的研究，受益於光學運動捕捉系統，他們將更專註地創造核心內容與價值。

圖13 汪峰憑藉大疆四旋翼無人機求婚上頭條

圖14 KMel Robotics的微蜂無人機音樂會

圖15 雷克薩斯的廣告Amazing in Motion

產品的生命全部來自於背後的技術。