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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具無人機(jī)通?？梢约僭O(shè)基于 GPS 的戶外無障礙操作。然而，一些應(yīng)用要求飛行器在 GPS 可能不可靠甚至不可用的狹窄環(huán)境中飛行。為了簡化與空中機(jī)器人自主導(dǎo)航相關(guān)的所有任務(wù)的完成，已經(jīng)開發(fā)了幾個(gè)針對(duì)完整軟件架構(gòu)的開源項(xiàng)目，例如ArduPilot 或PX4 。然而，這些方法通常缺乏執(zhí)行和支持高級(jí)功能的靈活性，而這些功能通常是希望開發(fā)無人機(jī)自主導(dǎo)航創(chuàng)新方法的用戶所要求的。圖 1展示了我們的軟件架構(gòu)。系統(tǒng)分為若干模塊，分別負(fù)責(zé)不同的任務(wù)。核心思想是結(jié)合簡單的概念和組件來構(gòu)建一個(gè)可靠的系統(tǒng)。每個(gè)模塊作為無人機(jī)上的獨(dú)立進(jìn)程運(yùn)行。根據(jù)空中機(jī)器人的設(shè)備，不同的模塊可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的算法和技術(shù)來執(zhí)行它們的任務(wù)。
圖1?擬采用架構(gòu)示意圖
在全3D環(huán)境中規(guī)劃無人機(jī)軌跡是一項(xiàng)復(fù)雜且耗時(shí)的任務(wù)?，F(xiàn)有技術(shù)中主要使用兩種方法：概率或基于采樣的方法和啟發(fā)式或基于圖的方法。然而，這兩種算法在無人機(jī)重新計(jì)劃任務(wù)中用作實(shí)時(shí)算法時(shí)都存在很大的不便：給定初始位置和目標(biāo)位置，計(jì)劃的軌跡在一次執(zhí)行之間可能會(huì)有很大差異，因此多次連續(xù)重新計(jì)劃可能會(huì)導(dǎo)致不必要的更長和不一致的重新規(guī)劃的軌跡。采用從RGB-D相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的初步估計(jì)，該相機(jī)提供來自其環(huán)境的圖像和3D點(diǎn)云，如圖 2所示。
圖2 這項(xiàng)工作中使用的 RGB-D?傳感器，Orbbec Astra，以及無人機(jī)前方當(dāng)前場景的樣本 RGB（左）和深度（右）圖像
GPS拒絕區(qū)域中的機(jī)器人定位方法利用了MCL，這是一種流行的室內(nèi)機(jī)器人技術(shù)。它基于該區(qū)域的已知地圖和粒子濾波器來估計(jì)地圖內(nèi)空中機(jī)器人的姿態(tài)，該算法可在ROS wiki中找到。粒子可以手動(dòng)初始化，也可以通過設(shè)置初始位置和協(xié)方差矩陣來自動(dòng)初始化，以在空間中分布粒子，如圖 3所示。
圖3 在 3D 地圖中的已知位置初始化粒子云
一旦我們基于本地感知讓無人機(jī)起飛并飛行，下一個(gè)目標(biāo)是在部分已知的環(huán)境中規(guī)劃和執(zhí)行軌跡，以便我們可以有效地執(zhí)行航點(diǎn)導(dǎo)航和避障。如果存在較大的障礙，則重新規(guī)劃的規(guī)劃時(shí)間可能會(huì)過長。這是由于在搜索解路徑時(shí)頂點(diǎn)沿障礙物的對(duì)稱3D擴(kuò)展引起的，如圖4的中心所示。
圖4 由加權(quán)延遲 Theta* 計(jì)算的擴(kuò)展頂點(diǎn)（綠色）和結(jié)果路徑（紅色）從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)，避開墻壁
流動(dòng)河流的目標(biāo)檢測(cè)具有很大的挑戰(zhàn)性。連續(xù)塑性運(yùn)動(dòng)帶來了許多挑戰(zhàn)（例如，訓(xùn)練數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)集高度不平衡、目標(biāo)位置和場景變化頻繁）。本研究以yolov5為基線算法，提出了多種優(yōu)化策略來解決目標(biāo)檢測(cè)中的問題。該算法的總體流程圖如圖5所示。
圖5上圖顯示了從輸入八叉樹（灰色立方體）計(jì)算的 GOM（彩色立方體）。下圖顯示了從深度相機(jī)點(diǎn)云（右下角相機(jī)圖像上的彩色球體）和 AOM 構(gòu)建的 LOM（彩色立方體）
航路點(diǎn)之間的過渡必須平滑且沒有開銷。如圖6所示，可以使用樣條插值生成連續(xù)軌跡，但這并不能保證符合與障礙物的安全距離。遵循航路點(diǎn)之間的直線是確保無人機(jī)沿完整軌跡遠(yuǎn)離已知或檢測(cè)到的障礙物的唯一方法。
圖6 使用樣條插值（綠線）和直線（紅線）的原始路徑（藍(lán)色球體）的軌跡
用于展示我們架構(gòu)的無人機(jī)是來自 Ascending Technologies 的名為AscTec Neo的研究原型，如圖 7所示。它是一架帶有 9 英寸螺旋槳的六軸飛行器，最大可提升2公斤。
圖7?用于實(shí)驗(yàn)的AscTec Neo無人機(jī)
所采用的架構(gòu)不僅通過VI傳感器得到驗(yàn)證，還使用RGB-D相機(jī)作為主要傳感器，特別是Orbbec Astra，如圖 8所示。
圖8?在無人機(jī)上測(cè)試的兩個(gè)主要傳感器VI-Sensor（左）和 Orbbec Astra（右）
為了成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的自主導(dǎo)航，空中機(jī)器人必須同時(shí)表現(xiàn)出可靠性和良好的性能。在先進(jìn)航空航天技術(shù)中心 (CATEC) 的室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場測(cè)試。如圖 9所示，測(cè)試臺(tái)裝有一個(gè)基于 20臺(tái)VICON 攝像機(jī)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，只需在物體上安裝無源標(biāo)記即可進(jìn)行定位和/或跟蹤。該系統(tǒng)能夠以毫米級(jí)精度實(shí)時(shí)提供每個(gè)物體的位置和姿態(tài)。
圖9?CATEC 的室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)展示了無人機(jī)經(jīng)過測(cè)試的場景之一，在本例中為管道工業(yè)環(huán)境
為了證明定位方法的穩(wěn)健性，也在無人機(jī)快速運(yùn)動(dòng)的情況下，進(jìn)行了一系列額外的測(cè)試。出于安全原因，測(cè)試包括手動(dòng)攜帶無人機(jī)在CATEC測(cè)試臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試的相同場景中重現(xiàn)高速飛行。這些測(cè)試的示例圖像如圖 10所示，其中運(yùn)動(dòng)模糊清晰可見。
圖10 在高速測(cè)試期間從前置攝像頭采樣 RGB 圖像
盡管該系統(tǒng)性能良好，但其性能和開發(fā)過程仍有改進(jìn)的空間。在開發(fā)自主系統(tǒng)時(shí)，現(xiàn)場測(cè)試是最昂貴的任務(wù)之一，因?yàn)樵谶M(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)之前，空中平臺(tái)必須完全運(yùn)行，必須有測(cè)試空間，并且必須有特定的合格人員（包括一名安全飛行員） ）。此外，如果在戶外進(jìn)行測(cè)試，天氣必須正常，并且根據(jù)國家規(guī)定，可能需要無人機(jī)飛行員的有效執(zhí)照。
源自：https://doi-org.uconn.80599.net/10.1002/rob.21757
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