博弈智能機(jī)器人時代，重新定義無人機(jī)控制算法研發(fā)

中國的人口紅利正在消失，這也意味著未來勞動力的短缺將是一個中長期現(xiàn)象，工農(nóng)業(yè)自動化程度提高十分迫切，因此機(jī)器人時代已大勢所趨。無人機(jī)飛行器作為空中機(jī)器人，在各行各業(yè)都發(fā)揮了重要的作用，而控制算法是無人機(jī)技術(shù)的核心之一。高校實驗室與科研領(lǐng)域是無人機(jī)控制算法的主要研究陣地，面對未來智能時代，需要重新定義控制算法的教學(xué)和研發(fā)方式。行業(yè)亟需一種更快速、高效的無人機(jī)控制算法研發(fā)模式，幫助教學(xué)及科研工作者在第一時間對算法進(jìn)行實踐驗證，以提高教學(xué)和科研效率，適應(yīng)科技風(fēng)云瞬息萬變的機(jī)器人時代。

無人機(jī)在躲避障礙物過程中，能夠通過傳感器、云端控制、攝像頭這樣的閉環(huán)，此外，依靠計算機(jī)視覺對環(huán)境進(jìn)行檢測，分析周圍環(huán)境的特征，實現(xiàn)自我規(guī)劃路徑，就像人看到障礙物知道繞道那樣。

但這不只是簡單的避障。在陀螺儀和加速計的配合下，無人機(jī)知道如何根據(jù)環(huán)境特征進(jìn)行移動。通過每秒做數(shù)百次的運算，計算出最可行的方位和速度。傳感器不同的等級、不同的不確定性，我們都可以通過概率學(xué)的方法把系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合在一起，通過一個等式把它歸納成一個位置和速度的估算。但這個要達(dá)到一定靈敏度也仍是個挑戰(zhàn)。

此外，無人機(jī)在飛行過程中不僅需要可以判斷其速度和位置，還要加以控制，避免走入障礙物區(qū)。這就是需要地圖的識別技術(shù)了。近幾年，四旋翼無人機(jī)的位姿估計即定位問題受到越來越多的關(guān)注。四旋翼無人機(jī)準(zhǔn)確的定位是實現(xiàn)避障、路徑規(guī)劃以及抓取等各種復(fù)雜任務(wù)的基礎(chǔ)和前提。目前廣泛應(yīng)用的定位方法有兩類：一類是基于四旋翼無人機(jī)自身對環(huán)境進(jìn)行同步定位與制圖（SLAM），從而獲得精確的位置信息；另一類是基于外部設(shè)備提供精確的位置信息，如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)。光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)擁有高分辨率的攝像頭，可以亞毫米級追蹤一個或多個無人機(jī)的位姿。近幾年，很多研究人員通過光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)的運動估計，并通過光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)了多旋翼無人機(jī)的暴力操作，傾斜墻面上的停靠，以及物體抓取。光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)適用在實驗室、研究室這種研究場所，在科研階段非常適用。同樣，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)定位的方法也有明顯缺陷，因為在建筑物密集、室內(nèi)、隧道等地方GPS定位幾乎是完全失效的。綜上所述通過視覺SLAM方法提供運動控制所需的準(zhǔn)確位置信息又更大的應(yīng)用價值。

無人機(jī)視覺定位算法驗證

路徑規(guī)劃，自主避障算法驗證

跟蹤識別算法驗證

基于視覺的無人機(jī)定位/導(dǎo)航/避障UAV+AI創(chuàng)新實驗室建設(shè)方案

一．背景

博弈智能機(jī)器人時代，重新定義無人機(jī)控制算法研發(fā)

中國的人口紅利正在消失，這也意味著未來勞動力的短缺將是一個中長期現(xiàn)象，工農(nóng)業(yè)自動化程度提高十分迫切，因此機(jī)器人時代已大勢所趨。無人機(jī)飛行器作為空中機(jī)器人，在各行各業(yè)都發(fā)揮了重要的作用，而控制算法是無人機(jī)技術(shù)的核心之一。高校實驗室與科研領(lǐng)域是無人機(jī)控制算法的主要研究陣地，面對未來智能時代，需要重新定義控制算法的教學(xué)和研發(fā)方式。行業(yè)亟需一種更快速、高效的無人機(jī)控制算法研發(fā)模式，幫助教學(xué)及科研工作者在第一時間對算法進(jìn)行實踐驗證，以提高教學(xué)和科研效率，適應(yīng)科技風(fēng)云瞬息萬變的機(jī)器人時代。

無人機(jī)在躲避障礙物過程中，能夠通過傳感器、云端控制、攝像頭這樣的閉環(huán)，此外，依靠計算機(jī)視覺對環(huán)境進(jìn)行檢測，分析周圍環(huán)境的特征，實現(xiàn)自我規(guī)劃路徑，就像人看到障礙物知道繞道那樣。

但這不只是簡單的避障。在陀螺儀和加速計的配合下，無人機(jī)知道如何根據(jù)環(huán)境特征進(jìn)行移動。通過每秒做數(shù)百次的運算，計算出最可行的方位和速度。傳感器不同的等級、不同的不確定性，我們都可以通過概率學(xué)的方法把系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合在一起，通過一個等式把它歸納成一個位置和速度的估算。但這個要達(dá)到一定靈敏度也仍是個挑戰(zhàn)。

此外，無人機(jī)在飛行過程中不僅需要可以判斷其速度和位置，還要加以控制，避免走入障礙物區(qū)。這就是需要地圖的識別技術(shù)了。近幾年，四旋翼無人機(jī)的位姿估計即定位問題受到越來越多的關(guān)注。四旋翼無人機(jī)準(zhǔn)確的定位是實現(xiàn)避障、路徑規(guī)劃以及抓取等各種復(fù)雜任務(wù)的基礎(chǔ)和前提。目前廣泛應(yīng)用的定位方法有兩類：一類是基于四旋翼無人機(jī)自身對環(huán)境進(jìn)行同步定位與制圖（SLAM），從而獲得精確的位置信息；另一類是基于外部設(shè)備提供精確的位置信息，如全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)。光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)擁有高分辨率的攝像頭，可以亞毫米級追蹤一個或多個無人機(jī)的位姿。近幾年，很多研究人員通過光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)的運動估計，并通過光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)了多旋翼無人機(jī)的暴力操作，傾斜墻面上的停靠，以及物體抓取。光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)適用在實驗室、研究室這種研究場所，在科研階段非常適用。同樣，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)定位的方法也有明顯缺陷，因為在建筑物密集、室內(nèi)、隧道等地方GPS定位幾乎是完全失效的。綜上所述通過視覺SLAM方法提供運動控制所需的準(zhǔn)確位置信息又更大的應(yīng)用價值。

幾種典型的有遮擋的飛行環(huán)境

二．解決方案

2.1.AI視覺無人機(jī)開發(fā)平臺—貓頭鷹（OWL）

2.1.1. AI視覺無人機(jī)開發(fā)平臺（OWL）概述

Owl是專為科研工作者與航空器開發(fā)者打造的小型化無人機(jī)開發(fā)平臺，它搭載VisBot視覺模塊，適用于無GPS環(huán)境下基于視覺的無人機(jī)定位/導(dǎo)航/避障算法的驗證與開發(fā)，以及室內(nèi)無人機(jī)組網(wǎng)編隊的研究。Owl擁有自主的雙目傳感器和開發(fā)平臺，平臺支持ROS接口，提供了6核CPU和5Tops TPU計算資源。同時預(yù)裝了融合了港科大的VINS_Fusion VIO算法的自定位系統(tǒng)，可以滿足室內(nèi)無人機(jī)定位需求。同時提供了EGO-Planner視覺避障算法，可以提供視覺避障功能。

2.2貓頭鷹mini無人機(jī)蜂群開發(fā)平臺（OWL-mini）

2.3OWL 無人機(jī)研究方向及教學(xué)實驗

科研方向

單機(jī)

1）無人機(jī)飛控算法開發(fā)/驗證；

2）V-Slam算法開發(fā)/驗證；

3）路徑規(guī)劃/避障算法開發(fā)/驗證；

4）AI算法開發(fā)/驗證（目標(biāo)識別/跟蹤、人臉識別、強化學(xué)習(xí)）；

5）MVS三維重建算法開發(fā)/驗證。

多機(jī)

1）集中式集群編隊算法開發(fā)/驗證；

2）分布式蜂群算法開發(fā)/驗證；

3）多機(jī)協(xié)同搜索算法開發(fā)/驗證。

教學(xué)實驗

實操篇：

1）固件加載實驗

2）參數(shù)加載實驗

3）參數(shù)加載實驗

4）傳感器校準(zhǔn)實驗

5）遙控器校準(zhǔn)實驗

6）電調(diào)校準(zhǔn)實驗

7）PID實操實驗

系統(tǒng)篇：

1）linux下環(huán)境搭建

2）Ubuntu系統(tǒng)搭建

3）ROS系統(tǒng)搭建

程序篇：

4）PX4源碼下載與編譯

5）PX4 飛控源碼系統(tǒng)框架介紹：

姿態(tài)解算的代碼實現(xiàn)部分

落地檢測的代碼實現(xiàn)部分

姿態(tài)控制的代碼實現(xiàn)部分

位置控制的代碼實現(xiàn)部分

位置解算的代碼實現(xiàn)部分

傳感器的初始化部分

uORB：進(jìn)程間通信

傳感器篇：

1）IMU和視覺傳感器數(shù)據(jù)融合

2）Open CV視覺實驗

3）Yolo部署實施及實驗

關(guān)于中航恒拓

中航恒拓智能科技河北有限公司成立于2014年7月，于2017年與中航無人機(jī)合作成立中航恒拓?zé)o人機(jī)教育品牌，專門致力于教育、科研無人機(jī)領(lǐng)域，主要提供面向教育教學(xué)及科研、競賽的人工智能+無人機(jī)解決方案及相關(guān)配套產(chǎn)品。主要產(chǎn)品及服務(wù)包括面向教育的無人機(jī)實訓(xùn)平臺、無人機(jī)創(chuàng)客實驗室解決方案、無人機(jī)實訓(xùn)實驗室解決方案、職業(yè)院校無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)建設(shè)方案、無人機(jī)產(chǎn)教融合實訓(xùn)基地建設(shè)等，為各類教育機(jī)構(gòu)提供無人機(jī)教育、實訓(xùn)實踐、競賽及學(xué)科建設(shè)多一站式服務(wù)。

公司具有強大的技術(shù)團(tuán)隊，于 2016 年在北京成立研發(fā)中心，與多家知名高校和研究機(jī)構(gòu)合作，目前擁有專利及軟件著作權(quán)數(shù)十項，2019 年被認(rèn)定為為高新技術(shù)企業(yè)，現(xiàn)已與多所院校合作設(shè)立無人機(jī)專業(yè)、成立無人機(jī)工程實驗室，提供了大量教學(xué)和比賽用無人機(jī)，產(chǎn)品在全國中學(xué)生登峰杯競賽。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等競賽中也廣泛受到歡迎，并是中國工程機(jī)器人大賽唯一指定的空中機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)平臺。

公司與國內(nèi)多所知名院校就實驗室共建、產(chǎn)品研發(fā)與測試、學(xué)生實訓(xùn)等諸多方面展開深如合作。先后與北京交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、中科院自動化所等單位在技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)等方面進(jìn)行深入合作。同時與北京威斯博、慧伊創(chuàng)新科技、河北蟻人電子等多家企業(yè)合作進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)和設(shè)計，發(fā)揮各方優(yōu)勢，快速提升產(chǎn)品水平和企業(yè)綜合競爭力。