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無(wú)人機(jī)整機(jī)
無(wú)人機(jī)配件
無(wú)人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具
無(wú)人機(jī)控制就是對(duì)無(wú)人機(jī)各個(gè)狀態(tài)的控制（文章“城堡里學(xué)無(wú)人機(jī)：狀態(tài)視角深入無(wú)人機(jī)硬件與算法”）?！俺潜だ飳W(xué)無(wú)人機(jī)：如何處理GPS數(shù)據(jù)獲取無(wú)人機(jī)狀態(tài)信息？”則完整演示了從GPS數(shù)據(jù)到無(wú)人機(jī)外環(huán)狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)換過(guò)程。是時(shí)候和MR.城堡一起感受一下在實(shí)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中跟隨功能是如何實(shí)現(xiàn)的。
MR.城堡首先需要選擇一款無(wú)人機(jī)為大家進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)演示，這款產(chǎn)品的硬件架構(gòu)與算法體系都需簡(jiǎn)潔實(shí)用，具備優(yōu)秀的跟隨性能，操作系統(tǒng)直接、透明。
最終選擇了之前在CES Asia上就很看好的Skye Orbit無(wú)人機(jī)。在這里也要感謝斯凱智能，雖然正在Kickstarter出貨的緊張階段，依然非常熱情地提供了樣機(jī)、場(chǎng)地，斯凱的工程師高效地配合完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)。MR.城堡不做廣告，有興趣的同學(xué)可以自己登陸Kickstarter了解。
1.如何設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟隨功能？
首先需要選擇被控狀態(tài)。咦？無(wú)人機(jī)的被控狀態(tài)不就是內(nèi)外環(huán)狀態(tài)么，為什么還要進(jìn)行選擇呢？這體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活之處。跟隨功能屬于相對(duì)位置導(dǎo)航，可以選擇控制無(wú)人機(jī)的絕對(duì)位置；也可以選擇控制無(wú)人機(jī)與跟蹤目標(biāo)之間的相對(duì)位置，意味著可以將兩者間的距離當(dāng)做擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行控制；甚至可以通過(guò)絕對(duì)位置信息與相對(duì)位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，而融合的方法也是多種多樣。
大家可別小看這選擇上的差異：條條大路通羅馬，條條大路不相同。不同的狀態(tài)選擇，體現(xiàn)了對(duì)于跟隨運(yùn)動(dòng)的不同理解，與之對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)，算法架構(gòu)也可以各不相同。
直接從無(wú)人機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行觀察最為直觀，與MR.城堡一起來(lái)看看Skye Orbit在硬件設(shè)計(jì)和算法架構(gòu)上如何實(shí)現(xiàn)跟隨功能:
Skye Orbit無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包含一個(gè)臂環(huán)Tracker，內(nèi)置GPS。可以看出，Orbit應(yīng)該是實(shí)時(shí)獲取跟蹤目標(biāo)的六個(gè)外環(huán)狀態(tài)：位置[x,y,z]；速度[u,v,w]。
在APP中可以設(shè)置跟隨距離，因此在不同的設(shè)置中，無(wú)人機(jī)與目標(biāo)的期望相對(duì)距離是固定值。Orbit可以通過(guò)跟隨目標(biāo)的狀態(tài)信息，以及期望的相對(duì)距離計(jì)算得到無(wú)人機(jī)的期望位置狀態(tài)，并與當(dāng)下?tīng)顟B(tài)進(jìn)行比較，根據(jù)算法得出修正量。這樣的算法架構(gòu)可以避免將相對(duì)距離看做系統(tǒng)狀態(tài)所需要的額外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。
如此一來(lái)不就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跟隨功能么？然而無(wú)人機(jī)不是一個(gè)被信號(hào)“牽線”的電子氣球。位置跟隨僅僅是跟隨功能的一部分，還需要在位置跟隨的前提下為用戶采集滿意的圖像、影像數(shù)據(jù)。從此出發(fā)才能算作一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)，而不只是一個(gè)擁有某些功能的高級(jí)玩具。
此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的被控對(duì)象不單單是無(wú)人機(jī)，也包括云臺(tái)。Orbit需要在實(shí)現(xiàn)位置控制和速度控制的同時(shí)，進(jìn)行云臺(tái)姿態(tài)控制，這時(shí)的云臺(tái)控制也不止是實(shí)現(xiàn)相機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定，還要對(duì)跟蹤對(duì)象進(jìn)行識(shí)別和運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算、估計(jì)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋等。
這就意味著要在之前的算法架構(gòu)中多設(shè)計(jì)一層：通過(guò)攝像頭采集的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺(jué)分析，實(shí)現(xiàn)在跟蹤的過(guò)程中，保證所跟隨的物體始終在鏡頭的視角范圍之內(nèi)。這會(huì)使控制器的設(shè)計(jì)變得更加靈活：兩個(gè)控制器可以相互獨(dú)立，也可以相互關(guān)聯(lián)，不同的關(guān)聯(lián)方式又可以產(chǎn)生不同的控制器架構(gòu)。
既然有這么多的實(shí)現(xiàn)邏輯、算法架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)，如何從中挑選出合適的方案呢？
2.Orbit跟隨功能測(cè)試
有很多理論的分析方法，評(píng)價(jià)指標(biāo)可以用在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。但MR.城堡今天更想跟大家分享實(shí)機(jī)測(cè)試過(guò)程。理論固然重要，但進(jìn)行實(shí)機(jī)測(cè)試不單是成熟產(chǎn)品的必經(jīng)階段，也同樣有助于增強(qiáng)我們對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的直觀理解。
2.1能跟得上么？
對(duì)于跟蹤拍攝而言，跟蹤目標(biāo)走路是一回事，跑起來(lái)是另一回事，變向、折返情況就更不一樣了。
MR.城堡特別為Orbit設(shè)計(jì)了“暴力”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程：快跑+折返+橫向變向，由跟蹤對(duì)象進(jìn)行兩次折返跑，兩次左轉(zhuǎn)跑步變向，而Orbit需在無(wú)操控情況下進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。
在面對(duì)在折返跑運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)者需要面對(duì)速度向量的方向反轉(zhuǎn)，加速度大幅值變化，以及無(wú)人機(jī)的快速響應(yīng)等需求。由于無(wú)人機(jī)之前的跟隨運(yùn)動(dòng)方向與之后完全不同，設(shè)計(jì)者需保證無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行比較大幅度的姿態(tài)調(diào)整。同時(shí)，無(wú)人機(jī)要通過(guò)圖像算法保證對(duì)跟蹤目標(biāo)的有效數(shù)據(jù)采集，不能被旁邊的花花草草吸引走。
Orbit整個(gè)跟蹤過(guò)程非常流暢，一鏡到底，且無(wú)人機(jī)與跟隨目標(biāo)之間的距離一直得到有效保持。當(dāng)跟蹤對(duì)象進(jìn)行折返時(shí)，Orbit能夠快速進(jìn)行大幅度的姿態(tài)調(diào)整。實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的跟隨后，跟拍的影像效果如何呢？
從上面兩幅圖可以看出，剛開(kāi)始Orbit在被跟蹤目標(biāo)向前快速起步時(shí)，努力保證將目標(biāo)控制在影像中心，但由于目標(biāo)起跑時(shí)加速度很大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)頗有難度。當(dāng)對(duì)象反向折返后，Orbit能夠調(diào)整姿態(tài)快速后退，并保持目標(biāo)在影像中心位置。
跟蹤目標(biāo)在橫向變向過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要能使無(wú)人機(jī)適應(yīng)更大范圍的速度向量與加速度變化，對(duì)控制器的響應(yīng)速度及超調(diào)量之間的平衡有很高要求。
Orbit對(duì)橫向變向的跟蹤能力出乎意料的好，在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)象橫向運(yùn)動(dòng)后會(huì)回到縱向跑步軌跡中，Orbit在這個(gè)過(guò)程中機(jī)身沒(méi)有因?yàn)橥蝗坏淖兿虬l(fā)生快速大幅值姿態(tài)抖動(dòng)，姿態(tài)變化銜接流暢，不知道是不是有對(duì)目標(biāo)加速度的預(yù)測(cè)算法呢？有機(jī)會(huì)要向他們的CTO請(qǐng)教一二。
橫向跟隨過(guò)程中圖像采集，目標(biāo)時(shí)刻處于鏡頭中心，這也能體現(xiàn)Orbit在最初目標(biāo)加速起步后進(jìn)行了快速跟蹤，并成功地將對(duì)象調(diào)整到了鏡頭中心。
MR.城堡特意讓跟蹤目標(biāo)變向跑到離花壇很近的位置，而Orbit并沒(méi)有“不守規(guī)矩”地被野花吸引走。
2.2風(fēng)大還能行么？
運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者可不追求云淡風(fēng)輕，當(dāng)外部環(huán)境惡化的時(shí)候，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能否保證跟蹤性能？換句話說(shuō)，跟蹤過(guò)程中的抗擾性是否過(guò)硬？MR.城堡沒(méi)有呼風(fēng)喚雨之能，只好將“風(fēng)速”轉(zhuǎn)化為“高度”進(jìn)行測(cè)試。
跟隨功能本身的特點(diǎn)限制了無(wú)人機(jī)的有效飛行高度。不像航拍，除了Hulk估計(jì)誰(shuí)也不會(huì)讓自己的無(wú)人機(jī)在10m開(kāi)外跟隨。因此MR.城堡只能將高度比之前提升一倍，運(yùn)動(dòng)模式與之前相同，通過(guò)“極端”的運(yùn)動(dòng)模式保證擾動(dòng)測(cè)試的有效性。
從圖中看出，在高度提升后，Orbit甚至更容易使跟蹤目標(biāo)保持在鏡頭中心位置。在低空飛行中遇到大風(fēng)，變風(fēng)情況是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須思考的內(nèi)容。優(yōu)化控制器整體結(jié)構(gòu)還是優(yōu)化某些控制參數(shù)？哪一種更有效率？哪一種有更強(qiáng)的抗擾性？MR.城堡會(huì)在以后的文章中詳細(xì)展開(kāi)。
2.3電量不足怎么辦？
無(wú)人機(jī)電量是在不斷發(fā)生變化的，雖然可以通過(guò)硬件盡量保證電流的穩(wěn)定，但飛過(guò)無(wú)人機(jī)的朋友一定有很深的感觸，電池電量不同，無(wú)人機(jī)的“力道”完全不一樣的。當(dāng)電量低到一定程度時(shí)，操控都有難度，更莫提穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)某種功能。MR.城堡特別選擇在低電量情況下測(cè)試Orbit跟隨性能：在低電量下（35%以下電量），跟蹤大幅度快速運(yùn)動(dòng)。
成熟的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮電量不足等極端情況。電池電量的下降幅度并不是隨時(shí)間線性變化的，從90%降到70%的速度與40%到20%并不相同，在操作者被跟隨的時(shí)候，往往很難意識(shí)到電池電量的情況。而當(dāng)電量不足時(shí)，無(wú)人機(jī)執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，在這種情況下控制器的設(shè)計(jì)需要考慮無(wú)人機(jī)本身動(dòng)態(tài)模型發(fā)生變化的情況，即增強(qiáng)控制器的魯棒性能。
Orbit在電量不足的情況下（35%以下電量）依然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效跟隨，而影像數(shù)據(jù)采集也沒(méi)有受到明顯影響。在在功能設(shè)定上，Orbit特別針對(duì)跟隨功能設(shè)計(jì)了相應(yīng)的安全模式。
這些極端情況能夠考察出設(shè)計(jì)者解決問(wèn)題的實(shí)際能力，除了從控制器算法設(shè)計(jì)角度來(lái)解決問(wèn)題，也可以從無(wú)人機(jī)功能角度來(lái)處理，比如Orbit特別針對(duì)跟隨功能設(shè)計(jì)的低電保護(hù)，這需要產(chǎn)品經(jīng)理對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)功
能有深入的思考，才能滿足用戶對(duì)功能體驗(yàn)的苛刻要求。這也體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的靈活性，有時(shí)我們需要跳出某個(gè)具體（算法工程師，硬件工程師，飛行器設(shè)計(jì)工程師等）的思維，才能從系統(tǒng)整體角度設(shè)計(jì)更有效率的解決方案。
真正設(shè)計(jì)一款無(wú)人機(jī)產(chǎn)品需要融合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和測(cè)試環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中時(shí)刻考慮實(shí)際的飛行情況，在測(cè)試中不斷思索設(shè)計(jì)的完善方法。同樣的功能目標(biāo)卻能通過(guò)各樣的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就如同藝術(shù)創(chuàng)作，優(yōu)秀的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品通過(guò)背后所蘊(yùn)含的理念，邏輯，算法，設(shè)計(jì)而成為一件不可多得的藝術(shù)佳品。
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