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空中無(wú)人機(jī)追捕研究成果登上IEEE-TRO

2022-11-19 10:36 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：空中機(jī)器人前沿 來(lái)源：空中機(jī)器人前沿
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圖1：空中無(wú)人機(jī)追捕實(shí)驗(yàn)圖（長(zhǎng)時(shí)曝光攝影）。微小型旋翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在我們生活生產(chǎn)的方方面面，包括航空攝影、電力巡線、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)植保、科研教...

圖1：空中無(wú)人機(jī)追捕實(shí)驗(yàn)圖（長(zhǎng)時(shí)曝光攝影）。

微小型旋翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在我們生活生產(chǎn)的方方面面，包括航空攝影、電力巡線、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)植保、科研教學(xué)等等。然而近些年無(wú)人機(jī)引起的安全事件也逐漸增多，比如無(wú)人機(jī)干擾機(jī)場(chǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施，引起了社會(huì)廣泛關(guān)注，成為了亟待解決的重要問(wèn)題。未來(lái)，隨著民用無(wú)人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，將有更多的小型無(wú)人機(jī)應(yīng)用于社會(huì)各方面，例如無(wú)人機(jī)物流、載人自動(dòng)駕駛飛機(jī)等。屆時(shí)小型民用無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題將會(huì)越發(fā)突出。

目前，針對(duì)“低小慢”無(wú)人機(jī)的防御技術(shù)主要依賴部署于地面的探測(cè)和反制設(shè)備。常見的技術(shù)手段包括遙控信號(hào)監(jiān)測(cè)和干擾等。然而這些技術(shù)手段在有效性、應(yīng)用場(chǎng)景等方面都有各自的局限性。

受到自然界中“鳥類追捕鳥類”行為的啟發(fā)，西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究了“無(wú)人機(jī)追捕無(wú)人機(jī)”的方法。該方法用一個(gè)安保無(wú)人機(jī)來(lái)探測(cè)、定位、跟隨另外一個(gè)目標(biāo)無(wú)人機(jī)，是能夠在大范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)惡意無(wú)人機(jī)的少數(shù)幾種接觸式方法之一，具有良好的應(yīng)用前景，其中也蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)研究問(wèn)題。

圖2：荷蘭一個(gè)公司訓(xùn)練老鷹抓捕無(wú)人機(jī)。（https://guardfromabove.com/）

圖3：我們開發(fā)的空中飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)。

該研究工作由西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室與北京理工大學(xué)和韓國(guó)KAIST大學(xué)合作完成。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Robotics [1]。第一作者是西湖大學(xué)2019級(jí)博士生李佳楠，通訊作者是西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員趙世鈺。本工作受到了國(guó)家自然基金和杭州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。


“無(wú)人機(jī)追無(wú)人機(jī)”的技術(shù)可以通俗的概括為：看得見、定得準(zhǔn)、跟得上。其中“看得見”主要是指安保無(wú)人機(jī)利用機(jī)載傳感器，例如視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別目標(biāo)?！岸ǖ脺?zhǔn)”是指實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地估計(jì)并預(yù)測(cè)目標(biāo)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息?！案蒙稀笔侵改芸刂瓢脖o(wú)人機(jī)與目標(biāo)無(wú)人機(jī)保持合理相對(duì)位置和速度。

本文重點(diǎn)關(guān)注了其中“定得準(zhǔn)”和“跟得上”兩個(gè)問(wèn)題，而“看得見”在我們其它的工作中有詳細(xì)介紹 [2-3]。

視覺(jué)的本質(zhì)是一種能直接測(cè)量方向而不能直接測(cè)量距離的傳感方式，這是空中無(wú)人機(jī)追捕任務(wù)中最核心的挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)在圖像當(dāng)中的中心點(diǎn)被確定之后，該目標(biāo)相對(duì)于攝像頭的空間方向信息能夠通過(guò)相機(jī)內(nèi)參計(jì)算得到，但是距離信息無(wú)法直接得到。關(guān)鍵距離信息的缺失將給目標(biāo)運(yùn)動(dòng)估計(jì)構(gòu)成基礎(chǔ)性的約束。

本文的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于將視覺(jué)感知的特點(diǎn)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)估計(jì)和目標(biāo)跟隨控制相結(jié)合，通過(guò)主動(dòng)控制相機(jī)的空間運(yùn)動(dòng)來(lái)增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)信息的可觀性，從而實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)感知”。具體來(lái)說(shuō)，我們分析了三維空間當(dāng)中傳感器多步可觀性增強(qiáng)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，從而能更準(zhǔn)確地估計(jì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息。并在此理論基礎(chǔ)之上提出了一系列創(chuàng)新方法，包括偽線性卡爾曼濾波算法、新型螺旋制導(dǎo)算法等。

圖5：三維空間可觀性數(shù)值優(yōu)化過(guò)程。

這些算法的流程可以通過(guò)下圖展示。首先，機(jī)載攝像機(jī)識(shí)別目標(biāo)無(wú)人機(jī)，獲得目標(biāo)三維方向信息。第二，基于該方向信息，使用所提出的偽線性卡爾曼濾波器估計(jì)出目標(biāo)的位置和速度。最后，使用新提出的螺旋制導(dǎo)律和底層無(wú)人機(jī)非線性控制器實(shí)現(xiàn)跟隨目標(biāo)的任務(wù)。

圖6：算法流程。

為了驗(yàn)證上述的各個(gè)算法模塊及整個(gè)系統(tǒng)，我們基于DJI M300搭建了飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。整套系統(tǒng)基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)進(jìn)行各個(gè)模塊之間的通訊。另外我們還搭載了一塊板載計(jì)算機(jī)用于處理高層的狀態(tài)估計(jì)和導(dǎo)航控制的指令計(jì)算。

圖7：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖。

圖8：用于構(gòu)建系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。在圖1中，我們通過(guò)延時(shí)曝光的方法清晰看到目標(biāo)無(wú)人機(jī)和安保無(wú)人機(jī)的軌跡。

該研究工作是空中無(wú)人機(jī)追捕方向邁出的重要一步，為接下來(lái)我們研發(fā)更高性能的算法和系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，敬請(qǐng)期待我們?cè)摲较蚋嘤腥さ难芯抗ぷ鳌?/p>

更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參見論文。

[1] J. Li, Z. Ning, S. He, C.-H. Lee, S. Zhao*, "Three-Dimensional Bearing-Only Target Following via Observability-Enhanced Helical Guidance", IEEE Transactions on Robotics, accepted, Sept 2022. 

[2] Y. Zheng, Z. Chen, D. Lv, Z. Li, Z. Lan, and S. Zhao*, "Air-to-air visual detection of micro-UAVs: an experimental evaluation of deep learning", IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, no. 2, pp. 1020-1027, 2021.

[3] Y. Zheng, C. Zheng, X. Zhang, F. Chen, Z. Chen, and S. Zhao*, "Detection, Localization, and Tracking of Multiple MAVs with Panoramic Stereo Camera Networks", IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, accepted, May 2022.

西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室專注于研究空中機(jī)器人領(lǐng)域中的新理論和新應(yīng)用。我們的目標(biāo)是創(chuàng)造有趣、有用、有挑戰(zhàn)性的下一代機(jī)器人系統(tǒng)。我們的研究涉及1）單個(gè)機(jī)器人的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制，2）多機(jī)器人的協(xié)同估計(jì)和控制，3）基于視覺(jué)和多傳感器融合的目標(biāo)和環(huán)境感知。詳細(xì)信息請(qǐng)查看我們網(wǎng)站https://shiyuzhao.westlake.edu.cn/ 

歡迎來(lái)到西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室！我們的實(shí)驗(yàn)室專注于小型無(wú)人機(jī)（UAV）的基本理論和新應(yīng)用。技術(shù)研究領(lǐng)域包括（i）單無(wú)人機(jī)的制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制，（ii）多無(wú)人機(jī)的集群系統(tǒng)，以及（iii）基于視覺(jué)和其他類型的傳感器的智能傳感系統(tǒng)。目前，我們有十多個(gè)小組成員，包括博士后，博士生，研究助理和訪問(wèn)學(xué)生。他們都畢業(yè)于中國(guó)和海外的頂尖大學(xué)。我們擁有一流的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如Vicon，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和各種實(shí)驗(yàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)。

歡迎來(lái)到西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室！ 小型旋翼無(wú)人機(jī)在民用和軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，涉及到眾多的科學(xué)研究問(wèn)題。 西湖大學(xué)“智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室” 關(guān)注于微小型無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，面向國(guó)家和社會(huì)重大需求，專注于從事高影響力的研究工作。 實(shí)驗(yàn)室目前關(guān)注的研究領(lǐng)域包括單無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同控制與估計(jì)、以及基于視覺(jué)和多種傳感器的智能感知系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)室具有一流的科研設(shè)施、完善的工作條件、活躍的科研氛圍。 目前實(shí)驗(yàn)室已有十幾名優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)成員，分別來(lái)自國(guó)內(nèi)外著名高校。 此外，實(shí)驗(yàn)室具有高精度VICON室內(nèi)定位系統(tǒng)、一系列空中和地面機(jī)器人平臺(tái)、GPU計(jì)算服務(wù)器、3D打印機(jī)等設(shè)施，為開展相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

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