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案例分享 | 北航基于不可見投影標簽的無人機室內(nèi)定位方案

閱讀:1403      發(fā)布時間:2023-7-11
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關(guān)鍵詞:無人機,,機器人運動學,機器人視覺系統(tǒng),,ICRA

技術(shù)方案:智能體位姿追蹤系統(tǒng)

 

研究背景

 

四旋翼飛行器是應用較廣泛地飛行機器人之一,,近年來隨著其應用的普及,對交通,、環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)等民用任務產(chǎn)生了重大影響,。現(xiàn)實應用場景中的復雜任務主要給無人機的感知、決策,、和靈活飛行控制等方面帶來挑戰(zhàn),,這也是科研人員研究的熱門方向。

 

在研究的實驗階段,,為了降低實驗風險,,研究人員會優(yōu)先選擇在室內(nèi)進行飛行驗證試驗。但在室內(nèi)環(huán)境測試存在兩個問題:首先是室內(nèi)環(huán)境只是對實際任務場景的簡單抽象,,無法為觀察者提供足夠的視覺信息,;此外由于室內(nèi)無法接收到全球系統(tǒng)信號,,四旋翼飛行器需要替代方法進行室內(nèi)定位。

 

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/ 室內(nèi)定位方案對比

 

北京大學團隊

基于不可見投影標簽的定位方法

 

北京大學的研究人員提出了一種基于不可見投影標簽的定位方法(IPT),,方法融合了AR可視化場景和定位,,不使用額外的室內(nèi)定位設備,利用投影信息實現(xiàn)定位,。

 

整體方案分為發(fā)送端和接收端,。

 

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/ IPT方法工作流

 

對于發(fā)送端,首先利用調(diào)制算法在動態(tài)視頻中嵌入一個肉眼不可見的AprilTag二維碼,,此過程利用人眼視覺系統(tǒng) (HVS) 的閃爍融合特性(即如果屏幕在40 -50 Hz 的典型頻率以上交替,,人眼無法捕捉到這種波動,而是感知平均亮度),。然后用投影儀將調(diào)制好的視頻投影到地面,,為四旋翼飛行器和觀眾提供一個視覺上的AR環(huán)境。

 

對于接收端,,無人機上搭載一個高速相機用于捕捉圖像信息,,然后執(zhí)行解調(diào)算法,從視頻中獲得標簽角的三維(3D)世界坐標及其二維(2D)投影,。

 

最后,,將這些坐標與相機參數(shù)一起輸入到姿態(tài)估計器來計算無人機位姿。位姿數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸至發(fā)送端來改變視頻內(nèi)容

 

動作捕捉系統(tǒng)用于

機器人定位系統(tǒng)評估

 

為了驗證IPT定位系統(tǒng)的性能,,研究人員開發(fā)了一套實驗系統(tǒng),。

 

實驗中,發(fā)送端采用兩臺激光投影儀,,在2.17m×2.47m場地形成一個1920×210分辨率的屏幕,,以60Hz投影視頻流。接收端采用270mm軸距無人機,,無人機搭載了120FPS全局快門彩色相機來消除果凍效應(rolling shutter effect),。

 

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/ 驗證方案設計

 

研究人員還在場地中部署了光學動作捕捉系統(tǒng)和UWB系統(tǒng)作對比。其中凌云光·元客視界提供的動捕系統(tǒng)在實驗中作為系統(tǒng)真值ground truth(定位精度可以達到亞毫米級,,角度精度達到0.01°),。

 

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/ 凌云光·元客視界Swift系列紅外動捕相機

 

在實驗過程中,利用IPT方法共采集了625組有效數(shù)據(jù),,為了顯示原始定位效果,,數(shù)據(jù)未經(jīng)過濾波。動作捕捉,、UWB和IPT的定位對比結(jié)果如圖所示,。

 

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/ 定位結(jié)果對比

 

為了定量分析結(jié)果,以光學動捕測量數(shù)據(jù)作為參考值,,研究人員計算了UWB和IPT相對平均絕對誤差(MAE),、標準偏差(STD),。

 

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/ 位置誤差和角度誤差

 

通過結(jié)果可以看出,IPT方法可以得到厘米級精度的定位數(shù)據(jù)(10 FPS),,在Z向定位精度優(yōu)于UWB系統(tǒng),,但是在X和Y方向振蕩更大。對于姿態(tài)角度,,UWB無法測量相關(guān)數(shù)據(jù),,IPT系統(tǒng)可以得到可接受的角度數(shù)據(jù)。

 

國產(chǎn)動作捕捉系統(tǒng)

助力高??蒲?/strong>

 

元客視界是凌云光設立的全資子公司,,主要面向云宇宙虛擬現(xiàn)實、Web3.0時代數(shù)字人,、沉浸媒體,、全息通信、計算光學成像等應用,,已形成光場建模,、運動捕捉、全景成像,、XR 拍攝等在內(nèi)的產(chǎn)品布局,。

 

FZMotion光學運動捕捉系統(tǒng)是元客視界自主開發(fā)的運動捕捉采集與分析系統(tǒng),可以實時跟蹤測量并記錄三維空間內(nèi)點的軌跡,、剛體的運動姿態(tài)以及人體動作,,空間定位精度可以達到亞毫米級。

 

FZMotion動捕系統(tǒng)在無人機室內(nèi)定位,、仿生機器人運動規(guī)劃,、機械臂示教學習、氣浮臺位姿驗證,、水下運動捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應用,,目前已經(jīng)與清華大學、中國科學技術(shù)大學,、北京大學、北京理工大學,、哈爾濱工業(yè)大學等高校開展合作,。凌云光·元客視界致力于為高校提供完備的解決方案,助力科研發(fā)展,。

 

 

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