无人机位姿测量工具推荐：揭开空中机器人的“眼睛”之谜
发布日期：2026-01-28
来源：NOKOV
无人机在建筑工地上空自主飞行,精准地将一块砖头运送到指定位置——上海同济大学的研究人员正在将这一看似科幻的场景变为现实,而成功的关键在于一套能够实时捕捉无人机亚毫米级位置和姿态的“火眼金睛”。
在上海同济大学建筑系的实验室里,一群科研人员正在改变未来建筑的建造方式。他们不再依赖传统的工业机器人,而是尝试用无人机群进行空中自主建造。
这项研究的核心挑战之一,是如何精确获取无人机在三维空间中的实时位姿——包括位置坐标(X、Y、Z)和姿态角度(偏航、横滚、俯仰)。
一、研究突破:无人机自主建造的精准之眼
当工业机器人因体积和活动范围受限而难以在大型建筑上施展拳脚时,同济大学的研究团队提出了一个创新方案:用无人机取代传统机器人进行空中建造。他们的无人机自主建造系统由两大核心组成:无人机空间位姿反馈和地面站轨迹控制。
研究团队首先在有限规模的实验场地布置场景进行无人机飞行测试。通过精确获取无人机空间位姿数据,他们设计出能够控制无人机完成建造任务的地面站系统。随后,这一系统可以按比例放大,应用于真实建筑尺度。
空间位姿的精确获取成为整个系统成败的关键。同济大学研究小组选择了NOKOV度量光学三维动作捕捉系统作为空间定位解决方案,主要依赖于其精确到亚毫米的高精度捕捉能力。
在一个层高2.5米、工作区域面积约5米×6米的环境中,研究小组搭建了一套由8个动作捕捉镜头组成的无人机室内定位系统。这些镜头通过捕捉固定在无人机上的特制反光标志点,以200Hz的频率记录无人机在空间中的位置信息。
获取的数据通过特定算法处理后,能实时提供无人机的六自由度(6DoF)信息,包括三维空间XYZ坐标、偏航角、横滚角以及俯仰角。
二、技术核心:精准位姿测量的多重维度
无人机的位姿测量是机器人视觉和自主导航领域的关键技术。它不仅仅是简单的定位,而是对无人机在三维空间中的全方位状态描述。
六自由度(6DoF)位姿信息包括三个平移自由度和三个旋转自由度,共同决定了无人机在空间中的精确状态。获得这些数据后,控制系统能够实时获取数据,用自带的传感器数据进行局部位置估计计算,用于实时更新无人机相对于全局坐标系的位置估计。
通过轨迹规划,系统能够协调多台无人机执行砌筑、搬运等任务时在多个航点间的移动方式,确保在操作过程中飞行器的安全以及砌筑顺序的正确。
在基于室内动作捕捉系统的无人机自主建造实时控制系统和可视化界面平台支持下,同济大学研究小组现已完成了全部由无人机自主完成的搭建试验,向着实现空中无人机自主建造的目标迈出了坚实一步。
三、主流方案:动作捕捉系统的四强对比
在无人机和机器人精准位姿测量领域,几种主流的光学动作捕捉系统各有特色。除了NOKOV度量动作捕捉系统外,市场上还有多个国际品牌提供类似解决方案。
以下是四种主要动作捕捉系统的特点对比:
国际品牌在动作捕捉领域积累了长期经验。Vicon系统拥有高密度摄像头布局,能同时捕捉多人交互与精细动作。
而OptiTrack则以其高采样率和成熟的软件生态著称,特别适合需要捕捉高速运动轨迹的场景。
瑞典Qualisys系统则注重恶劣环境适应性和重型机械应用。
四、国产品牌:NOKOV度量动捕的技术优势与应用前景
在众多动作捕捉解决方案中,NOKOV度量动作捕捉系统作为国产品牌的代表,展现出独特的技术优势。系统支持多刚体一键创建,拥有智能体驾驶舱图形化界面,能够实现数据同步采集和集成管理。
该系统还支持自定义模型追踪和模型训练,适用于连续体机器人、软体机器人和仿生学研究。丰富的SDK和插件以及全面的数据传输支持,使其能够灵活适应不同科研场景的需求。
NOKOV度量动作捕捉系统专门为科学研究领域设计,提供从220万至2600万像素的分辨率选项,以及180Hz至340Hz的频率范围,被认为是目前极具性价比的光学动作捕捉解决方案之一。
系统的应用范围广泛,不仅能用于无人机的位姿测量,还可应用于仿生机器人的步态优化。例如,山东大学控制学院就曾使用该系统获取四足机器人的运动步态信息,用于优化机器人的越障行为。
对于扑翼机器人,系统能够捕捉其两翼和机身的空间位置和姿态,帮助研究者分析扑翼机器人两翼扑打频率和模式,以及扑翼带来的机身和机头上下震动模式。
五、未来展望:精准位姿测量的广阔应用
无人机位姿测量技术的突破,正在开启多个领域的创新应用。除了同济大学的无人机自主建造研究,这项技术在更多领域展现出巨大潜力。
精准位姿测量技术让无人机协同系统在多学科、多行业发展中实现成本优化与效率提升成为可能。在机器人研发领域,精准的位姿数据是优化控制算法、提高运动性能的基础。
随着机器人技术的不断发展,对高精度位姿测量的需求将日益增长。从工业自动化到医疗康复,从航空航天到深海探测,精准的动作捕捉技术都将扮演关键角色。
未来,随着技术的进一步成熟和成本的降低,动作捕捉技术有望从专业研究领域走向更广泛的应用场景,为智能机器人的发展提供强有力的技术支持。
同济大学实验室里,基于NOKOV度量动作捕捉系统的无人机群正有条不紊地执行着建造任务。每架无人机的位置信息被实时捕捉并反馈给控制系统,调整着飞行的毫厘之差。
当最后一架无人机将“砖块”精准放置到位,一个微缩建筑结构在无人机的协作下悄然成形。研究人员的屏幕上,六自由度数据流仍在跳动,记录着这群空中建造者每一次精准的姿态调整。
这项技术的突破,可能预示着未来建筑工地上不再有高空作业的危险,只有无人机群如蜂群般协同工作的景象。而这一切,都始于对空中机器人“眼睛”的精准打造。