案例分享 | 北航基于不可见投影标签的无人机室内定位方案

四旋翼飞行器是应用较广泛地飞行机器人之一，近年来随着其应用的普及，对交通、环境保护和农业等民用任务产生了重大影响。现实应用场景中的复杂任务主要给无人机的感知、决策、和灵活飞行控制等方面带来挑战，这也是科研人员研究的热门方向。

在研究的实验阶段，为了降低实验风险，研究人员会优先选择在室内进行飞行验证试验。但在室内环境测试存在两个问题:首先是室内环境只是对实际任务场景的简单抽象，无法为观察者提供足够的视觉信息；此外由于室内无法接收到全球系统信号，四旋翼飞行器需要替代方法进行室内定位。

/ 室内定位方案对比

北京大学的研究人员提出了一种基于不可见投影标签的定位方法（IPT），方法融合了AR可视化场景和定位，不使用额外的室内定位设备，利用投影信息实现定位。

整体方案分为发送端和接收端。

/ IPT方法工作流

对于发送端，首先利用调制算法在动态视频中嵌入一个肉眼不可见的AprilTag二维码，此过程利用人眼视觉系统 (HVS) 的闪烁融合特性（即如果屏幕在40 -50 Hz 的典型频率以上交替，人眼无法捕捉到这种波动，而是感知平均亮度）。然后用投影仪将调制好的视频投影到地面，为四旋翼飞行器和观众提供一个视觉上的AR环境。

对于接收端，无人机上搭载一个高速相机用于捕捉图像信息，然后执行解调算法，从视频中获得标签角的三维(3D)世界坐标及其二维(2D)投影。

最后，将这些坐标与相机参数一起输入到姿态估计器来计算无人机位姿。位姿数据通过WIFI传输至发送端来改变视频内容

为了验证IPT定位系统的性能，研究人员开发了一套实验系统。

实验中，发送端采用两台激光投影仪，在2.17m×2.47m场地形成一个1920×210分辨率的屏幕，以60Hz投影视频流。接收端采用270mm轴距无人机，无人机搭载了120FPS全局快门彩色相机来消除果冻效应（rolling shutter effect）。

/ 验证方案设计

研究人员还在场地中部署了光学动作捕捉系统和UWB系统作对比。其中由凌云光·元客视界提供的动捕系统在实验中作为系统真值ground truth（定位精度可以达到亚毫米级，角度精度达到0.01°）。

/ 凌云光·元客视界Swift系列红外动捕相机

在实验过程中，利用IPT方法共采集了625组有效数据，为了显示原始定位效果，数据未经过滤波。动作捕捉、UWB和IPT的定位对比结果如图所示。

/ 定位结果对比

为了定量分析结果，以光学动捕测量数据作为参考值，研究人员计算了UWB和IPT相对平均绝对误差(MAE)、标准偏差(STD)。

/ 位置误差和角度误差

通过结果可以看出，IPT方法可以得到厘米级精度的定位数据（10 FPS），在Z向定位精度优于UWB系统，但是在X和Y方向振荡更大。对于姿态角度，UWB无法测量相关数据，IPT系统可以得到可接受的角度数据。

元客视界是凌云光设立的全资子公司，主要面向云宇宙虚拟现实、Web3.0时代数字人、沉浸媒体、全息通信、计算光学成像等应用，已形成光场建模、运动捕捉、全景成像、XR 拍摄等在内的产品布局。

FZMotion光学运动捕捉系统是元客视界自主开发的运动捕捉采集与分析系统，可以实时跟踪测量并记录三维空间内点的轨迹、刚体的运动姿态以及人体动作，空间定位精度可以达到亚毫米级。

FZMotion动捕系统在无人机室内定位、仿生机器人运动规划、机械臂示教学习、气浮台位姿验证、水下运动捕捉等领域得到广泛应用，目前已经与清华大学、中国科学技术大学、北京大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等高校开展合作。凌云光·元客视界致力于为高校提供完备的解决方案，助力科研发展。