本文所討論的是外部視覺導(dǎo)航方法，表1結(jié)合瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、賓夕法尼亞大學(xué)和麻省理工學(xué)院三所高校光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)的性能參數(shù)，對(duì)比分析光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)。

       表2三所高校測試平臺(tái)對(duì)比

 

 

       從表1可以看出，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、賓夕法尼亞大學(xué)賀麻省理工學(xué)院的測試平臺(tái)分別為FMA、Multiple Micro-UAV Test Bed和RAVEN，這三所高校光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)完全滿足多旋翼無人機(jī)的高機(jī)動(dòng)飛行。

       在多旋翼無人機(jī)的控制系統(tǒng)研究中，導(dǎo)航數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是控制算法得以實(shí)際應(yīng)用的重要前提。在建筑物密集，叢林等環(huán)境下，GPS信號(hào)容易丟失，在室內(nèi)環(huán)境下，GPS信號(hào)甚至完全不能用，所以基于光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)并與慣性導(dǎo)航組合后的數(shù)據(jù)為多旋翼無人機(jī)提供精確的位置和姿態(tài)等導(dǎo)航信息，提高系統(tǒng)的可靠性。
       光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)可以精確測量三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，其實(shí)質(zhì)是測量、跟蹤和記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。光學(xué)動(dòng)系統(tǒng)的硬件組成包含高速紅外攝像機(jī)、PC機(jī)、集線器等。如圖23所示。。高速紅外攝像機(jī)通過特殊紅外標(biāo)記物marker點(diǎn)捕捉多旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息，然后以圖像的形式記錄下來，集線器識(shí)別攝像機(jī)捕捉的信號(hào)，負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從高分辨率紅外攝像機(jī)快速準(zhǔn)確地傳送到PC機(jī)，由PC機(jī)上專門進(jìn)行數(shù)據(jù)解析的軟件Active Center™進(jìn)行處理，如圖22所示，得到運(yùn)動(dòng)物體的位置信息，經(jīng)過相機(jī)一連串的拍攝，可以得到運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)軌跡。

 

 

       Active Center™軟件界面
       光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)導(dǎo)航信息的獲取方法
       位置信息。光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)可以識(shí)別安裝多旋翼無人機(jī)上的marker點(diǎn)，進(jìn)而得到其位置信息，經(jīng)過相機(jī)一連串的拍攝，在地面站上可以直接顯示多旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
       速度信息。速度信息可以經(jīng)過位置信息進(jìn)一步得到，光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)更新更新頻率高，時(shí)間間隔很短，所以速度信息可以通過相鄰兩組位置信息的差值與位置數(shù)據(jù)更新的時(shí)間間隔相除得到。
       姿態(tài)信息。系統(tǒng)不能直接得到姿態(tài)信息，需要進(jìn)一步的計(jì)算，以下是光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)無人機(jī)測試平臺(tái)的姿態(tài)解算求解過程。如圖25為光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)的坐標(biāo)系，圖26為mrker點(diǎn)安裝示意圖，在多旋翼無人機(jī)上的A、B、C和D四個(gè)位置上分別安裝四個(gè)表面具  有特殊光學(xué)物質(zhì)的marker點(diǎn)，其中A點(diǎn)位于無人機(jī)的左前方，B點(diǎn)位于無人機(jī)的左后方，C點(diǎn)位于無人機(jī)的右后方，D點(diǎn)距離A點(diǎn)最近，A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)三點(diǎn)共面與D點(diǎn)不共面，且它們之間距離關(guān)系為：AD<BD<CD。

       三個(gè)姿態(tài)角的定義以及正方向規(guī)定如下：
       ● 航向角，即機(jī)體繞垂直方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)體的縱軸在水平面上的投影與光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)X軸之間的家教。數(shù)值上以光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)X軸為起點(diǎn)，角度范圍為0°~360°；
       ● 俯仰角，即機(jī)體繞橫向水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的縱軸和縱向水平軸的夾角，俯仰角以水平軸為起點(diǎn)，向上為正，向下為負(fù)，角度范圍為-90°~90°；
       ● 橫滾角，即機(jī)體繞縱軸相對(duì)于鉛錘平面的轉(zhuǎn)角，從鉛錘平面算起，左傾為負(fù)，右傾為正，角度范圍為-180°~180°。