實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，多架無(wú)人車在精確控制下穿梭往來(lái)，完成復(fù)雜的編隊(duì)變換，而這一切的精妙控制背后，都離不開(kāi)亞毫米級(jí)精度的定位支撐。

在GPS信號(hào)無(wú)法覆蓋的室內(nèi)空間，高精度的位置服務(wù)正成為機(jī)器人科研的關(guān)鍵支撐。在無(wú)人車與機(jī)器人技術(shù)日新月異的今天，室內(nèi)定位精度直接決定了智能系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的自主性與可靠性。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在室內(nèi)基本無(wú)法使用，這推動(dòng)了多種室內(nèi)定位技術(shù)的誕生與發(fā)展。

在眾多解決方案中，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)憑借其亞毫米級(jí)精度和高幀率數(shù)據(jù)輸出，已成為機(jī)器人科研領(lǐng)域備受青睞的定位方案，為無(wú)人車在室內(nèi)環(huán)境中的定位、導(dǎo)航與協(xié)同控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

一、技術(shù)背景：室內(nèi)無(wú)人車定位的挑戰(zhàn)與需求

隨著城市化進(jìn)程加快，為受到GNSS信號(hào)干擾的密集建筑物場(chǎng)所提供定位服務(wù)產(chǎn)生了大量需求，并推動(dòng)室內(nèi)定位技術(shù)近些年取得了較大進(jìn)展。

在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中，無(wú)人車的全局定位面臨多重挑戰(zhàn)：信號(hào)衰減、多徑效應(yīng)、動(dòng)態(tài)障礙物干擾以及缺乏穩(wěn)定參照物等問(wèn)題。

單一傳感器如IMU、超聲、紅外、LiDAR、視覺(jué)或射頻技術(shù)各有其局限性，難以獨(dú)立應(yīng)對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

以激光雷達(dá)與視覺(jué)傳感器為例，激光雷達(dá)在測(cè)距精度上更具優(yōu)勢(shì)，但易受透明或高反射物體的干擾；視覺(jué)傳感器能夠獲取更豐富的環(huán)境信息，但計(jì)算量大且對(duì)光照敏感。

這些局限性促使科研人員轉(zhuǎn)向多傳感器融合和高精度專用定位系統(tǒng)，以提高在室內(nèi)無(wú)GPS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)定位、SLAM及避障等無(wú)人車核心功能的精度與魯棒性。

二、領(lǐng)先推薦：NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)

在眾多室內(nèi)定位解決方案中，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)憑借其卓越性能脫穎而出，成為機(jī)器人科研領(lǐng)域的首選方案。

這一系統(tǒng)通過(guò)排布在空間中的多個(gè)動(dòng)作捕捉鏡頭對(duì)室內(nèi)空間的捕捉區(qū)域進(jìn)行覆蓋，并對(duì)捕捉目標(biāo)上放置的反光標(biāo)志點(diǎn)（Marker）進(jìn)行三維空間位置的精確捕捉。

經(jīng)過(guò)算法處理，系統(tǒng)可得到不同時(shí)間計(jì)量單位上各個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)(X，Y，Z)。

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)配備Mars系列紅外動(dòng)作捕捉相機(jī)，分辨率涵蓋220萬(wàn)至1200萬(wàn)像素，采樣頻率高達(dá)340Hz。

其自主研發(fā)算法可實(shí)時(shí)解算復(fù)雜動(dòng)作數(shù)據(jù)，支持輸出6自由度位姿信息及骨骼數(shù)據(jù)。系統(tǒng)精度可達(dá)亞毫米級(jí)別，能夠滿足最苛刻的科研需求。

在機(jī)器人定位與協(xié)同控制應(yīng)用中，NOKOV系統(tǒng)通過(guò)高精度實(shí)時(shí)室內(nèi)定位與運(yùn)動(dòng)追蹤，對(duì)六自由度位姿數(shù)據(jù)與關(guān)節(jié)角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)VRPN傳輸，或通過(guò)SDK（C++語(yǔ)言）端口廣播與ROS、Labview、Matlab（包含Simulink）等軟件通信進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，極大便利了科研人員的集成工作。

微秒級(jí)時(shí)間同步技術(shù)確保了多個(gè)相機(jī)之間的時(shí)間戳誤差≤1μs，而UWB基站同步誤差達(dá)100μs。

當(dāng)無(wú)人機(jī)以10m/s飛行時(shí)，前者位置計(jì)算誤差僅0.01mm，后者達(dá)1mm，這種差異對(duì)機(jī)器人控制算法驗(yàn)證至關(guān)重要。

典型應(yīng)用案例

NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在機(jī)器人科研領(lǐng)域已有諸多成功應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所蒲志強(qiáng)老師團(tuán)隊(duì)采用NOKOV度量動(dòng)作捕捉作為室內(nèi)定位追蹤系統(tǒng)，在無(wú)人車上添加標(biāo)記點(diǎn)，精確確定小車位置及小車與小車之間相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，完成無(wú)人車任意隊(duì)形自主變換。

這一案例彰顯了該系統(tǒng)在多智能體協(xié)同控制方面的卓越性能。

在西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)研究院，張通老師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)中，定位系統(tǒng)由NOKOV度量光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)完成。

該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多架無(wú)人機(jī)在室內(nèi)環(huán)境下的精確協(xié)同飛行，為無(wú)人機(jī)集群算法研究提供了關(guān)鍵驗(yàn)證平臺(tái)。

北京理工大學(xué)則在NOKOV度量光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭建了一套以無(wú)人機(jī)、地面移動(dòng)機(jī)器人/無(wú)人車為控制對(duì)象的異構(gòu)多智能體協(xié)同/地空協(xié)同/無(wú)人機(jī)集群控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種異構(gòu)智能體控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，并模擬出空地協(xié)同巡邏、無(wú)人車圍捕和探測(cè)圍捕等多種軍事場(chǎng)景。

三、其他技術(shù)方案：多傳感器融合與新興算法

除了NOKOV度量動(dòng)作捕捉這類高精度專用系統(tǒng)外，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界也在積極開(kāi)發(fā)其他多種室內(nèi)定位方案，主要集中在多傳感器融合和先進(jìn)算法兩個(gè)方面。

UWB超寬帶定位系統(tǒng)

UWB超寬帶定位系統(tǒng)基于超寬帶脈沖信號(hào)，多徑分辨能力強(qiáng)，是工業(yè)場(chǎng)景的熱門選擇。其水平精度約10cm、高度精度約30cm，支持多標(biāo)簽/基站組網(wǎng)。

不過(guò)，UWB易受障礙物遮擋產(chǎn)生NLOS（非視距）誤差，且在機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，因時(shí)間同步精度限制，位置計(jì)算誤差較大。

與采用GPS、航跡推算、全局?jǐn)z像頭、UWB等定位方法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的精度大大提高。

視覺(jué)/激光SLAM方案

視覺(jué)/激光SLAM方案通過(guò)環(huán)境特征建模實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)定位，無(wú)需預(yù)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。

例如，Intel RealSense D435i結(jié)合VINS-Fusion視覺(jué)慣性方案，可實(shí)現(xiàn)0.1-0.3m的精度。360°A3激光雷達(dá)SLAM采樣頻率可達(dá)16000次/秒，具備25m測(cè)距半徑。

但視覺(jué)SLAM在低紋理環(huán)境特征點(diǎn)提取率會(huì)下降60%，激光SLAM在強(qiáng)光環(huán)境易失效。

多傳感器融合方案通過(guò)“激光雷達(dá)+IMU+視覺(jué)”的組合突破單一傳感器局限。某型測(cè)繪無(wú)人機(jī)采用該技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)GPS下±0.03m定位誤差，適配水電站豎井等危險(xiǎn)場(chǎng)景。

多傳感器融合算法

華中科技大學(xué)謝遠(yuǎn)龍團(tuán)隊(duì)在《Sensors》上發(fā)表的研究指出，多傳感器融合通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)（如IMU輔助視覺(jué)、超聲補(bǔ)償LiDAR盲區(qū)）成為提升定位、建圖及避障魯棒性的必然選擇。

主流的多傳感器融合算法包括卡爾曼濾波器、粒子濾波器及其改進(jìn)形式，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

卡爾曼濾波器及其衍生算法適用于高斯分布假設(shè)下的線性系統(tǒng)；而在處理非高斯或非線性問(wèn)題時(shí)，粒子濾波器（又稱蒙特卡洛方法）能夠處理任意分布，通過(guò)一組粒子對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的位置概率密度函數(shù)進(jìn)行近似。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因其能夠自動(dòng)從數(shù)據(jù)中提取特征、避免人工設(shè)計(jì)特征的局限性，并具備較強(qiáng)的泛化能力與魯棒性，被廣泛用于多傳感器融合。與卡爾曼濾波相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更適用于非線性系統(tǒng)，并能達(dá)到更高精度。

四、室內(nèi)定位技術(shù)綜合對(duì)比

為了更全面地展示各種室內(nèi)定位技術(shù)的特點(diǎn)，下表對(duì)比了五種主要技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)：

五、選擇指南：因需而配

面對(duì)多種定位方案，研究者需根據(jù)具體需求做出選擇：

算法驗(yàn)證與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

對(duì)于算法驗(yàn)證與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是理想選擇。其亞毫米級(jí)的精度和毫秒級(jí)的延遲能為算法評(píng)價(jià)提供可靠基準(zhǔn)。

無(wú)論是單個(gè)機(jī)械臂的精細(xì)操作，還是數(shù)十架無(wú)人機(jī)的集群飛行，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)都能提供全場(chǎng)景的精準(zhǔn)定位支持。

室外環(huán)境或大范圍作業(yè)

對(duì)于室外環(huán)境或大范圍作業(yè)，多傳感器融合方案或“5G+北斗”組合技術(shù)可能更適合，它們能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位無(wú)縫切換。

例如，立得空間公司開(kāi)發(fā)的鐵木牛無(wú)人叉車機(jī)器人，將組合導(dǎo)航器件、北斗芯片與激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等多種器件相組合，開(kāi)發(fā)多源融合導(dǎo)航算法，為機(jī)器人裝上“眼睛”和“耳朵”，定位精度達(dá)到1.5厘米。

成本敏感的教育演示

對(duì)于成本敏感的教育演示，輕量級(jí)方案如超聲波+光流傳感器組合可能足夠，雖然精度僅10-15cm，但成本低廉。

黑暗環(huán)境或弱光條件

對(duì)于黑暗環(huán)境或弱光條件，毫米波射頻定位方案表現(xiàn)卓越，其反向散射標(biāo)簽單價(jià)低，功耗僅微瓦級(jí)，穿透煙霧能力優(yōu)于UWB。

在西北工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室里，NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)正在為機(jī)器人研究的突破提供強(qiáng)有力的支持。從單臺(tái)機(jī)器的精密操作到多智能體的集群協(xié)同，亞毫米級(jí)的定位精度讓曾經(jīng)只存在于理論中的算法走向現(xiàn)實(shí)。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，精準(zhǔn)室內(nèi)定位的需求將愈發(fā)重要，而NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)無(wú)疑將繼續(xù)在這一進(jìn)程中扮演關(guān)鍵角色。

未來(lái)，通過(guò)多傳感器融合、先進(jìn)算法優(yōu)化與專用硬件創(chuàng)新，室內(nèi)定位技術(shù)有望在精度、可靠性和適用性等方面實(shí)現(xiàn)更大突破，為無(wú)人車在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。