光学运动捕捉技术：多旋翼无人机定位与定向

Xsens动作捕捉 2023-05-05 3900

理查德·施特劳斯

理查德·施特劳斯，德国浪漫派晚期最后的一位伟大的作曲家，同时又是交响诗及标题音乐领域中最大的作曲家。1896年施特劳斯根据尼采的著作完成了叙事性交响乐《查拉图斯特拉如是说》。时隔118年后，在美国华盛顿举行的美国科技年会上，一群名叫“微蜂”的多旋翼无人机非常娴熟地演奏了施特劳斯的这部交响乐作品，技惊全场（如图1）。这场别开生面的音乐会的主角由人变为多旋翼无人机，然而精湛的演奏技艺是由美国KMel Robotics团队支撑，他们来自宾夕法尼亚大学机械工程系著名的GRASP实验室。团队主要人员宾夕法尼亚大学教授Vijay Kumar直言：“研发这样一套敏捷的机器人系统需要一种在高速运动的情况下提供实时的定位和定向的解决方案。”GRASP实验室将目光聚焦在光学运动捕捉技术上。

“微蜂”多旋翼无人机组演绎《查拉图斯特拉如是说》

光学运动捕捉技术主要是基于计算机图形学原理

从理论上说，对于三维空间中的一个点，只要这个点能同时为两部摄像机所见，则根据同一时刻两部摄像机所拍摄的图像和对应参数，可以确定这一时刻该点在三维空间里的位置信息。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。利用这个原理，通过对目标物体上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。

光学运动捕捉技术的原理与GRASP实验室的需求不谋而合，它给GRASP实验的研究带来了三个好消息：

第一、高速，光学运动捕捉系统拥有至少100FPS的拍摄速度

第二、高精度，光学运动捕捉系统拥有0.1mm的定位精度

第三、鲁棒性，光学运动捕捉系统是跟踪多旋翼无人机上固定的刚体结构，跟踪数据几乎不会丢失

拥有这些优势，对于研发无人机的团队来说，正如GRASP实验室的Daniel Mellinger博士所言，“光学运动捕捉系统避免我们走弯路，我们只需要聚焦在无人机的动力学和控制的研究上即可”

小启将详细介绍光学运动捕捉系统如何解决多旋翼无人机在高速飞行过程中的定位和定向的问题。

飞行场地光学运动捕捉系统是该解决方案的核心，首先根据自身条件选择多旋翼无人机飞行的场地，根据场地大小，选择合适数量的运动捕捉摄像机，通常需要8台以上（如图2）。

图2 系统三维图（以8台摄像机为例的系统）

建立刚体根据光学运动捕捉技术的原理，多台摄像机同步发射红外光线，在三维空间里，目标物体表面固定特制的标记点（如图3），标记点可在红外光线下强烈反光，通过识别算法提取标记点的空间位置信息。因此，光学运动捕捉系统并非采集多旋翼无人机的飞行视频图像，而是固定在多旋翼无人机上的标记点（如图4），继而得出点的位置数据。然而，当空间里存在一架以上的多旋翼无人机时，单一的标记点无法区别多架多旋翼无人机，需要多个标记点组成不同形状的结构便于区分。由多个标记点组成，体积和形状不会随着自身的移动而改变，称之为“刚体”。当不同的多旋翼无人机固定不同结构的刚体时，区分便很容易做到。

图3 被动式标记点

图4多旋翼无人机上的标记点

实时定位多旋翼无人机在光学运动捕捉系统的软件中是被识别为不同结构的刚体（如图5）。多旋翼无人机的飞行产生了空间位置的变化，映射在软件里（如图6），即六自由度数据的实时变化。Six Degrees of Freedom（6DoF），即六自由度，包括三维空间XYZ轴坐标，偏航角Yaw，横摇角Roll，俯仰角Pitch。这些数据既可以实时预览，又可以实时广播出去。