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采用RTK方法評(píng)估UAV位姿估計(jì)精度：以DJI Matrice 300為例

2023-03-10 09:57 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：飛思實(shí)驗(yàn)室 來(lái)源：飛思實(shí)驗(yàn)室
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可靠的導(dǎo)航是開(kāi)發(fā)自動(dòng)化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵先決條件?，F(xiàn)代無(wú)人機(jī)配備了許多傳感器，使操作員能夠準(zhǔn)確確定其位置并提高導(dǎo)航的可靠性。鑒于上述情況，需要進(jìn)一步研究...

可靠的導(dǎo)航是開(kāi)發(fā)自動(dòng)化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵先決條件?，F(xiàn)代無(wú)人機(jī)配備了許多傳感器，使操作員能夠準(zhǔn)確確定其位置并提高導(dǎo)航的可靠性。鑒于上述情況，需要進(jìn)一步研究，以促進(jìn)無(wú)人機(jī)姿態(tài)估計(jì)可靠方法的開(kāi)發(fā)，并將這些技術(shù)與無(wú)人機(jī)的外部傳感器集成。這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，正如為驗(yàn)證配備實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)（RTK）定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元（IMU）設(shè)備的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）接收器的準(zhǔn)確性而進(jìn)行的研究所證明的那樣。商用無(wú)人機(jī)解決方案的姿態(tài)估計(jì)精度不斷提高。隨著技術(shù)進(jìn)步、新部件的開(kāi)發(fā)及其兼容性和集成性，需要進(jìn)一步研究定位精度，包括使用依靠地面設(shè)備確定測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的傳統(tǒng)方法。

所承擔(dān)的研究問(wèn)題對(duì)全自動(dòng)無(wú)人機(jī)具有重大影響，這些無(wú)人機(jī)在沒(méi)有操作員參與的情況下根據(jù)編程程序飛行。不確定性下的無(wú)人機(jī)飛行規(guī)劃問(wèn)題也是人工智能和機(jī)器人界以及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和控制界的一個(gè)有趣的研究問(wèn)題。與確保飛行穩(wěn)定性和安全性相關(guān)的問(wèn)題被La Valle和Sharma歸類(lèi)為：

① 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的不確定性和遵循命令的精度有限；

② 對(duì)環(huán)境的了解的不確定性，包括其中的障礙；

③ 操作環(huán)境中因素的不可預(yù)測(cè)性；

④ 倉(cāng)位信息的不確定性。

自主無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是，有關(guān)飛行機(jī)動(dòng)、傳感器激活或使用附加設(shè)備的決策不是事先編程的，而是由機(jī)器根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活情況獨(dú)立做出的。本研究旨在評(píng)估無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，研究結(jié)果可為自主飛行器的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

本研究旨在比較和評(píng)估無(wú)人機(jī)機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)和兩個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量期間獲取的數(shù)據(jù)，以評(píng)估無(wú)人機(jī)姿態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性。測(cè)量是在三種情況下進(jìn)行的。為了研究的需要，計(jì)劃在選定的地區(qū)執(zhí)行飛行任務(wù);設(shè)計(jì)、穩(wěn)定和測(cè)量了大地測(cè)量控制點(diǎn)的參考框架;航點(diǎn)穩(wěn)定，并安裝了轉(zhuǎn)速表站（圖1）。無(wú)人機(jī)地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)速測(cè)量是使用連接到DJI M360 RTK無(wú)人機(jī)的300°棱鏡反射器進(jìn)行的。在實(shí)驗(yàn)中，作者還考慮了大氣條件對(duì)獲得的測(cè)量結(jié)果的影響。因此，飛行是在從北方吹來(lái)的風(fēng)中進(jìn)行的，平均速度為6公里/小時(shí)。

圖1 研究區(qū)

DJI MATRICE 300 RTK是最受歡迎的商用無(wú)人機(jī)平臺(tái)之一。根據(jù)制造商的規(guī)格，該平臺(tái)的凈重為8.37千克，尺寸為810 × 670 × 430毫米（長(zhǎng)×寬×高）。該無(wú)人機(jī)配備了與GPS Navstar，Glonass，BeiDOU和Galileo系統(tǒng)兼容的GNSS RTK接收器。兩個(gè)GNSS RTK天線位于手臂上，無(wú)人機(jī)的位置是使用虛擬參考站確定的。DJI MATRICE 300 RTK在D-RTK模式下的垂直和水平懸停精度（無(wú)風(fēng)或微風(fēng)）分別為±0.1 m。為了滿(mǎn)足研究的需要，無(wú)人機(jī)進(jìn)行了擴(kuò)展，包括一個(gè)用于安裝徠卡GRZ122 360°棱鏡反射器的平臺(tái)（圖2）。

圖2 DJI MATRICE 300 RTK搭配徠卡GRZ122 360°棱鏡反射器

使用靜態(tài)GNSS方法在兩次測(cè)量會(huì)話(huà)中確定參考系中的大地坐標(biāo)，每次使用45個(gè)TOPCON Hiper SR GNSS接收器進(jìn)行4分鐘。使用自由站方法的轉(zhuǎn)速表站的位置基于高精度的坐標(biāo)測(cè)量。無(wú)人機(jī)的位置通過(guò)使用徠卡Viva TS30和徠卡Viva TS15機(jī)器人轉(zhuǎn)速表進(jìn)行了驗(yàn)證（圖3）。

圖3 評(píng)估二手設(shè)備的準(zhǔn)確性

轉(zhuǎn)速表是同步的，以便于比較測(cè)量數(shù)據(jù)。在棱鏡跟蹤模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量以提高采樣頻率。根據(jù)圖3，基于角度測(cè)量和跟蹤模式下的距離測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)速表的位置及其坐標(biāo)如圖4所示。

圖4 規(guī)劃中的無(wú)人機(jī)任務(wù)

在第一種情況下，當(dāng)無(wú)人機(jī)懸停在具有已知坐標(biāo)的點(diǎn)上方時(shí)，確定了絕對(duì)姿態(tài)估計(jì)的穩(wěn)定性。無(wú)人機(jī)坐標(biāo)在1秒的時(shí)間間隔內(nèi)用機(jī)器人轉(zhuǎn)速計(jì)確定。測(cè)量在每個(gè)高度快速連續(xù)進(jìn)行，以確保一致的天氣條件并盡量減少外部因素的影響。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在沿預(yù)定義軌跡飛行的過(guò)程中分析了無(wú)人機(jī)的位置。飛行任務(wù)是在10m的高度沿著任務(wù)點(diǎn)坐標(biāo)定義的路徑進(jìn)行的。這次訪問(wèn)計(jì)劃是為了確保符合進(jìn)行低空攝影測(cè)量的要求。無(wú)人機(jī)在一個(gè)方形區(qū)域上方飛行，它在主要航點(diǎn)上方盤(pán)旋并改變方向。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的修改版本，用于分析無(wú)人機(jī)在不間斷飛行期間的位置，而無(wú)需懸停在航點(diǎn)上。圖5顯示了所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的范圍和不同階段。

圖5 研究流程概述

實(shí)驗(yàn)生成了一組獨(dú)立的坐標(biāo)測(cè)量值。第一個(gè)數(shù)據(jù)集包含有關(guān)無(wú)人機(jī)坐標(biāo)的信息，這些信息基于DJI解決方案專(zhuān)用Web應(yīng)用程序記錄的數(shù)據(jù)。AIRDATA應(yīng)用程序記錄飛行參數(shù)、天氣狀況、電池電量，并顯示有關(guān)可能影響飛行性能的設(shè)備和環(huán)境因素的警報(bào)（圖6）。

圖6  AIRDATA應(yīng)用程序

第二個(gè)和第三個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是生成額外的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證無(wú)人機(jī)在計(jì)劃任務(wù)期間姿態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性。在這些實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)在三個(gè)高度測(cè)量，采樣頻率為每10秒測(cè)量五次（圖7）。與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，無(wú)人機(jī)注冊(cè)的數(shù)據(jù)是通過(guò)AIRDATA應(yīng)用程序獲取的。

圖7 比較在每個(gè)檢查高度（a）高度H=1.5m處測(cè)量的坐標(biāo)（b）海拔高度H=5m（c）海拔高度H =10m

圖8顯示了無(wú)人機(jī)姿態(tài)狀態(tài)的空間分布。圓圈表示半徑為0.05 m、0.10m和0.20m的緩沖區(qū)，并表示與任務(wù)計(jì)劃中設(shè)置的航點(diǎn)的距離。用轉(zhuǎn)速表測(cè)量的無(wú)人機(jī)位置用綠色（K）標(biāo)記，從無(wú)人機(jī)獲得的坐標(biāo)用紅色（L）標(biāo)記。分析顯示，在10 m的高度，無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)相對(duì)于理論坐標(biāo)移動(dòng)了0.10 m至0.20 m。在其余高度（0.10 m和1 m）處，這種差異不超過(guò)5.5 m。

圖8 比較在每個(gè)檢查高度（a）高度H =1.5m處測(cè)量的坐標(biāo)（b）海拔高度H = 5m（c）海拔高度H=10m

研究表明，配備GNSS RTK接收機(jī)的DJI MATRICE 300 RTK無(wú)人機(jī)的定位精度與制造商的規(guī)格一致。GNSS RTK接收器正確映射了X坐標(biāo)，并且無(wú)人機(jī)測(cè)量的值與模型數(shù)據(jù)之間的差異隨著飛行高度的升高而增加。進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)偏差主要?dú)w因于外部因素，包括天氣條件。這些因素的影響可以最小化，但在實(shí)地調(diào)查中不能完全消除。無(wú)人機(jī)的姿態(tài)估計(jì)精度無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中可靠地確定，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以驗(yàn)證系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)條件下的能力。飛行的方向和高度都會(huì)顯著影響姿態(tài)估計(jì)精度。

源自：Sensors 2023, 23, 2092. https://doi.org/10.3390/s23042092

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