無人機在建筑工地上空自主飛行,精準(zhǔn)地將一塊磚頭運送到指定位置——上海同濟大學(xué)的研究人員正在將這一看似科幻的場景變?yōu)楝F(xiàn)實,而成功的關(guān)鍵在于一套能夠?qū)崟r捕捉無人機亞毫米級位置和姿態(tài)的“火眼金睛”。
在上海同濟大學(xué)建筑系的實驗室里,一群科研人員正在改變未來建筑的建造方式。他們不再依賴傳統(tǒng)的工業(yè)機器人,而是嘗試用無人機群進(jìn)行空中自主建造。
這項研究的核心挑戰(zhàn)之一,是如何精確獲取無人機在三維空間中的實時位姿——包括位置坐標(biāo)(X、Y、Z)和姿態(tài)角度(偏航、橫滾、俯仰)。
一、研究突破:無人機自主建造的精準(zhǔn)之眼
當(dāng)工業(yè)機器人因體積和活動范圍受限而難以在大型建筑上施展拳腳時,同濟大學(xué)的研究團隊提出了一個創(chuàng)新方案:用無人機取代傳統(tǒng)機器人進(jìn)行空中建造。他們的無人機自主建造系統(tǒng)由兩大核心組成:無人機空間位姿反饋和地面站軌跡控制。
研究團隊首先在有限規(guī)模的實驗場地布置場景進(jìn)行無人機飛行測試。通過精確獲取無人機空間位姿數(shù)據(jù),他們設(shè)計出能夠控制無人機完成建造任務(wù)的地面站系統(tǒng)。隨后,這一系統(tǒng)可以按比例放大,應(yīng)用于真實建筑尺度。
空間位姿的精確獲取成為整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。同濟大學(xué)研究小組選擇了NOKOV度量光學(xué)三維動作捕捉系統(tǒng)作為空間定位解決方案,主要依賴于其精確到亞毫米的高精度捕捉能力。
在一個層高2.5米、工作區(qū)域面積約5米×6米的環(huán)境中,研究小組搭建了一套由8個動作捕捉鏡頭組成的無人機室內(nèi)定位系統(tǒng)。這些鏡頭通過捕捉固定在無人機上的特制反光標(biāo)志點,以200Hz的頻率記錄無人機在空間中的位置信息。
獲取的數(shù)據(jù)通過特定算法處理后,能實時提供無人機的六自由度(6DoF)信息,包括三維空間XYZ坐標(biāo)、偏航角、橫滾角以及俯仰角。
二、技術(shù)核心:精準(zhǔn)位姿測量的多重維度
無人機的位姿測量是機器人視覺和自主導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。它不僅僅是簡單的定位,而是對無人機在三維空間中的全方位狀態(tài)描述。
六自由度(6DoF)位姿信息包括三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度,共同決定了無人機在空間中的精確狀態(tài)。獲得這些數(shù)據(jù)后,控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取數(shù)據(jù),用自帶的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行局部位置估計計算,用于實時更新無人機相對于全局坐標(biāo)系的位置估計。
通過軌跡規(guī)劃,系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)多臺無人機執(zhí)行砌筑、搬運等任務(wù)時在多個航點間的移動方式,確保在操作過程中飛行器的安全以及砌筑順序的正確。
在基于室內(nèi)動作捕捉系統(tǒng)的無人機自主建造實時控制系統(tǒng)和可視化界面平臺支持下,同濟大學(xué)研究小組現(xiàn)已完成了全部由無人機自主完成的搭建試驗,向著實現(xiàn)空中無人機自主建造的目標(biāo)邁出了堅實一步。
三、主流方案:動作捕捉系統(tǒng)的四強對比
在無人機和機器人精準(zhǔn)位姿測量領(lǐng)域,幾種主流的光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)各有特色。除了NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)外,市場上還有多個國際品牌提供類似解決方案。
以下是四種主要動作捕捉系統(tǒng)的特點對比:
國際品牌在動作捕捉領(lǐng)域積累了長期經(jīng)驗。Vicon系統(tǒng)擁有高密度攝像頭布局,能同時捕捉多人交互與精細(xì)動作。
而OptiTrack則以其高采樣率和成熟的軟件生態(tài)著稱,特別適合需要捕捉高速運動軌跡的場景。
瑞典Qualisys系統(tǒng)則注重惡劣環(huán)境適應(yīng)性和重型機械應(yīng)用。
四、國產(chǎn)品牌:NOKOV度量動捕的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景
在眾多動作捕捉解決方案中,NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)作為國產(chǎn)品牌的代表,展現(xiàn)出獨特的技術(shù)優(yōu)勢。系統(tǒng)支持多剛體一鍵創(chuàng)建,擁有智能體駕駛艙圖形化界面,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集和集成管理。
該系統(tǒng)還支持自定義模型追蹤和模型訓(xùn)練,適用于連續(xù)體機器人、軟體機器人和仿生學(xué)研究。豐富的SDK和插件以及全面的數(shù)據(jù)傳輸支持,使其能夠靈活適應(yīng)不同科研場景的需求。
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)專門為科學(xué)研究領(lǐng)域設(shè)計,提供從220萬至2600萬像素的分辨率選項,以及180Hz至340Hz的頻率范圍,被認(rèn)為是目前極具性價比的光學(xué)動作捕捉解決方案之一。
系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣泛,不僅能用于無人機的位姿測量,還可應(yīng)用于仿生機器人的步態(tài)優(yōu)化。例如,山東大學(xué)控制學(xué)院就曾使用該系統(tǒng)獲取四足機器人的運動步態(tài)信息,用于優(yōu)化機器人的越障行為。
對于撲翼機器人,系統(tǒng)能夠捕捉其兩翼和機身的空間位置和姿態(tài),幫助研究者分析撲翼機器人兩翼撲打頻率和模式,以及撲翼帶來的機身和機頭上下震動模式。
五、未來展望:精準(zhǔn)位姿測量的廣闊應(yīng)用
無人機位姿測量技術(shù)的突破,正在開啟多個領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。除了同濟大學(xué)的無人機自主建造研究,這項技術(shù)在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。
精準(zhǔn)位姿測量技術(shù)讓無人機協(xié)同系統(tǒng)在多學(xué)科、多行業(yè)發(fā)展中實現(xiàn)成本優(yōu)化與效率提升成為可能。在機器人研發(fā)領(lǐng)域,精準(zhǔn)的位姿數(shù)據(jù)是優(yōu)化控制算法、提高運動性能的基礎(chǔ)。
隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展,對高精度位姿測量的需求將日益增長。從工業(yè)自動化到醫(yī)療康復(fù),從航空航天到深海探測,精準(zhǔn)的動作捕捉技術(shù)都將扮演關(guān)鍵角色。
未來,隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的降低,動作捕捉技術(shù)有望從專業(yè)研究領(lǐng)域走向更廣泛的應(yīng)用場景,為智能機器人的發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持。
同濟大學(xué)實驗室里,基于NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)的無人機群正有條不紊地執(zhí)行著建造任務(wù)。每架無人機的位置信息被實時捕捉并反饋給控制系統(tǒng),調(diào)整著飛行的毫厘之差。
當(dāng)最后一架無人機將“磚塊”精準(zhǔn)放置到位,一個微縮建筑結(jié)構(gòu)在無人機的協(xié)作下悄然成形。研究人員的屏幕上,六自由度數(shù)據(jù)流仍在跳動,記錄著這群空中建造者每一次精準(zhǔn)的姿態(tài)調(diào)整。
這項技術(shù)的突破,可能預(yù)示著未來建筑工地上不再有高空作業(yè)的危險,只有無人機群如蜂群般協(xié)同工作的景象。而這一切,都始于對空中機器人“眼睛”的精準(zhǔn)打造。
