四旋翼飛行器是應(yīng)用較廣泛地飛行機(jī)器人之一，近年來(lái)隨著其應(yīng)用的普及，對(duì)交通、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)等民用任務(wù)產(chǎn)生了重大影響。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中的復(fù)雜任務(wù)主要給無(wú)人機(jī)的感知、決策、和靈活飛行控制等方面帶來(lái)挑戰(zhàn)，這也是科研人員研究的熱門方向。

在研究的實(shí)驗(yàn)階段，為了降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，研究人員會(huì)優(yōu)先選擇在室內(nèi)進(jìn)行飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。但在室內(nèi)環(huán)境測(cè)試存在兩個(gè)問題:首先是室內(nèi)環(huán)境只是對(duì)實(shí)際任務(wù)場(chǎng)景的簡(jiǎn)單抽象，無(wú)法為觀察者提供足夠的視覺信息；此外由于室內(nèi)無(wú)法接收到全球?qū)Ш较到y(tǒng)信號(hào)，四旋翼飛行器需要替代方法進(jìn)行室內(nèi)定位。

/ 室內(nèi)定位方案對(duì)比

北京大學(xué)的研究人員提出了一種基于不可見投影標(biāo)簽的定位方法（IPT），方法融合了AR可視化場(chǎng)景和定位，不使用額外的室內(nèi)定位設(shè)備，利用投影信息實(shí)現(xiàn)定位。

整體方案分為發(fā)送端和接收端。

/ IPT方法工作流

對(duì)于發(fā)送端，首先利用調(diào)制算法在動(dòng)態(tài)視頻中嵌入一個(gè)肉眼不可見的AprilTag二維碼，此過(guò)程利用人眼視覺系統(tǒng) (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(wú)法捕捉到這種波動(dòng)，而是感知平均亮度）。然后用投影儀將調(diào)制好的視頻投影到地面，為四旋翼飛行器和觀眾提供一個(gè)視覺上的AR環(huán)境。

對(duì)于接收端，無(wú)人機(jī)上搭載一個(gè)高速相機(jī)用于捕捉圖像信息，然后執(zhí)行解調(diào)算法，從視頻中獲得標(biāo)簽角的三維(3D)世界坐標(biāo)及其二維(2D)投影。

最后，將這些坐標(biāo)與相機(jī)參數(shù)一起輸入到姿態(tài)估計(jì)器來(lái)計(jì)算無(wú)人機(jī)位姿。位姿數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI傳輸至發(fā)送端來(lái)改變視頻內(nèi)容

為了驗(yàn)證IPT定位系統(tǒng)的性能，研究人員開發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)中，發(fā)送端采用兩臺(tái)激光投影儀，在2.17m×2.47m場(chǎng)地形成一個(gè)1920×210分辨率的屏幕，以60Hz投影視頻流。接收端采用270mm軸距無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)搭載了120FPS全局快門彩色相機(jī)來(lái)消除果凍效應(yīng)（rolling shutter effect）。

/ 驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

研究人員還在場(chǎng)地中部署了光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和UWB系統(tǒng)作對(duì)比。其中由凌云光·元客視界提供的動(dòng)捕系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中作為系統(tǒng)真值ground truth（定位精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)，角度精度達(dá)到0.01°）。

/ 凌云光·元客視界Swift系列紅外動(dòng)捕相機(jī)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用IPT方法共采集了625組有效數(shù)據(jù)，為了顯示原始定位效果，數(shù)據(jù)未經(jīng)過(guò)濾波。動(dòng)作捕捉、UWB和IPT的定位對(duì)比結(jié)果如圖所示。

/ 定位結(jié)果對(duì)比

為了定量分析結(jié)果，以光學(xué)動(dòng)捕測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考值，研究人員計(jì)算了UWB和IPT相對(duì)平均絕對(duì)誤差(MAE)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(STD)。

/ 位置誤差和角度誤差

通過(guò)結(jié)果可以看出，IPT方法可以得到厘米級(jí)精度的定位數(shù)據(jù)（10 FPS），在Z向定位精度優(yōu)于UWB系統(tǒng)，但是在X和Y方向振蕩更大。對(duì)于姿態(tài)角度，UWB無(wú)法測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，IPT系統(tǒng)可以得到可接受的角度數(shù)據(jù)。

元客視界是凌云光設(shè)立的全資子公司，主要面向云宇宙虛擬現(xiàn)實(shí)、Web3.0時(shí)代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計(jì)算光學(xué)成像等應(yīng)用，已形成光場(chǎng)建模、運(yùn)動(dòng)捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內(nèi)的產(chǎn)品布局。

FZMotion光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是元客視界自主開發(fā)的運(yùn)動(dòng)捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量并記錄三維空間內(nèi)點(diǎn)的軌跡、剛體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及人體動(dòng)作，空間定位精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。

FZMotion動(dòng)捕系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)室內(nèi)定位、仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)械臂示教學(xué)習(xí)、氣浮臺(tái)位姿驗(yàn)證、水下運(yùn)動(dòng)捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)與清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(fā)展。