案例分享 | 北航基于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、環境保護和農業等民用任務產生了重大影響。現實應用場景中的復雜任務主要給無人機的感知、決策、和靈活飛行控制等方面帶來挑戰，這也是科研人員研究的熱門方向。

在研究的實驗階段，為了降低實驗風險，研究人員會優先選擇在室內進行飛行驗證試驗。但在室內環境測試存在兩個問題:首先是室內環境只是對實際任務場景的簡單抽象，無法為觀察者提供足夠的視覺信息；此外由于室內無法接收到全球導航衛星系統信號，四旋翼飛行器需要替代方法進行室內定位。

/ 室內定位方案對比

北京航空航天大學的研究人員提出了一種基于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，不使用額外的室內定位設備，利用投影信息實現定位。

整體方案分為發送端和接收端。

/ IPT方法工作流

對于發送端，首先利用調制算法在動態視頻中嵌入一個肉眼不可見的AprilTag二維碼，此過程利用人眼視覺系統 (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）。然后用投影儀將調制好的視頻投影到地面，為四旋翼飛行器和觀眾提供一個視覺上的AR環境。

對于接收端，無人機上搭載一個高速相機用于捕捉圖像信息，然后執行解調算法，從視頻中獲得標簽角的三維(3D)世界坐標及其二維(2D)投影。

最后，將這些坐標與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傳輸至發送端來改變視頻內容

為了驗證IPT定位系統的性能，研究人員開發了一套實驗系統。

實驗中，發送端采用兩臺激光投影儀，在2.17m×2.47m場地形成一個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系統和UWB系統作對比。其中由凌云光·元客視界提供的動捕系統在實驗中作為系統真值ground truth（定位精度可以達到亞毫米級，角度精度達到0.01°）。

/ 凌云光·元客視界Swift系列紅外動捕相機

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

為了定量分析結果，以光學動捕測量數據作為參考值，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向定位精度優于UWB系統，但是在X和Y方向振蕩更大。對于姿態角度，UWB無法測量相關數據，IPT系統可以得到可接受的角度數據。

元客視界是凌云光設立的全資子公司，主要面向云宇宙虛擬現實、Web3.0時代數字人、沉浸媒體、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 拍攝等在內的產品布局。

FZMotion光學運動捕捉系統是元客視界自主開發的運動捕捉采集與分析系統，可以實時跟蹤測量并記錄三維空間內點的軌跡、剛體的運動姿態以及人體動作，空間定位精度可以達到亞毫米級。

FZMotion動捕系統在無人機室內定位、仿生機器人運動規劃、機械臂示教學習、氣浮臺位姿驗證、水下運動捕捉等領域得到廣泛應用，目前已經與清華大學、中國科學技術大學、北京航空航天大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學等高校開展合作。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案，助力科研發展。