旋翼受損還能正常飛行？在無人機上并置攝像頭，這種圖像算法還能保證指令“無損”

還記得上個月文摘菌給大家介紹的無人機博彩嗎？

由于線下業務受到打擊，美國體育博彩公司DraftKings就把目光投向了無人機競速。

既然是比賽，刮傷擦傷肯定是不可避免了。但是對于無人機來說，要是在比賽過程中旋翼受損，那就基本上等于中途宣布退賽了，要是有什麼方法讓無人機能夠在旋翼受損的情況下保持正常飛行就好了。

還真别說，最近，瑞士蘇黎世大學和荷蘭代爾夫特工業大學就瞄準了這麼一個缺口，讓你下注的無人機能夠在旋翼受損時仍然能夠堅持完成比賽。

我們還是來看看效果，可以看到，這個無人機有一個旋翼停止運作，機身開始不平衡：

但是，奇迹發生了，盡管如此，這個無人機也并沒有墜毀，而是繼續沿着既定路線前進。雖然看上去有點曲折，也有點…頭暈，但實在是勇氣可嘉。

怎麼樣，是不是覺得不可思議？

根據介紹，在這種情況下，研究團隊主要利用到的是機載攝像頭提供的資訊，進而通過利用其他還能工作的旋翼使機身高速旋轉（偏航旋轉超過20rad/s），保證正常飛行。

目前，該項目已經在GitHub上開源了，有興趣的大家可以去首頁圍觀一下：

https://github.com/uzh-rpg/fault_tolerant_control

如何利用兩個攝像頭，讓“搖搖欲墜”的無人機正常工作

近兩年，無人機的發展勢頭可謂兇猛，尤其是在疫情期間，從體溫監測到博彩娛樂，可以說是無所不能了。

現在市面上較多的還是多旋翼無人機，這種無人機的旋翼一般來說從4個到8個不等，每個旋翼上都配備了一個電機，保證在飛行時機身能夠維持平衡。

如果其中一個旋翼受損無法工作，無人機墜毀也确實相當危險了。

2015年，根據南京地鐵消息，由于航拍無人機墜毀，駕駛員下車撿拾殘骸，引起地鐵一号線延誤兩分鐘，無人機的主人還因影響營運安全被警方帶回處理。

不過現在這個擔憂被研究人員們解決了，而他們的解決方法，是利用到旋翼上配置的攝像頭資訊。這個研究成果也以論文的形式發表在了IEEE上。

論文連結：

http://rpg.ifi.uzh.ch/docs/RAL21_Sun.pdf

為了實作這樣的構想，研究人員在無人機上安裝了兩種錄影機，一個是标準錄影機（standard camera），分辨率為376×240，另一種是事件錄影機（event camera），分辨率為346×240。其中值得注意的是，标準錄影機的最大增益是用來最小化所需的曝光時間，這對減少标準幀中的運動模糊至關重要。

之是以要安裝兩個錄影機，其實是為了讓無人機在暗處也能正常工作。如果隻使用标準錄影機，會出現運動模糊，在光線較暗時系統無法工作，但如果與事件錄影機結合，即使在黑暗的地方，系統也能正常發揮作用。

這兩種錄影機的工作機制也并不相同。标準錄影機以每秒數次的恒定速度記錄外界圖像，事件相機僅在檢測到光線變化時才開始工作。這就使得無人機在一個旋翼受損的情況下，能夠以高速旋轉保證飛行的正常進行，以及乖乖聽遙控器的話。

在室外的環境中，這種方法也得到了驗證。

在測試中，這個四旋翼無人機的一個旋翼停止了工作，但是根據它仍然能夠向前飛行4米後傳回原點，和指定軌迹一模一樣。這也說明了該算法的合理性和可操作性。

圖為飛行四旋翼的快照，以及狀态估計器的飛行軌迹俯視圖。在這次飛行任務中，環境照度為2000勒克斯。

使用飛行資料評估互補濾波器性能

實驗中研究人員所使用的四旋翼無人機是利用碳纖維架構以及3D列印部件制成的。

它由4台2306-2400KV電機和5英寸螺旋槳驅動，狀态估計和控制算法在Nvidia Jetson TX2上運作，包含一個四核2.0 Hz CPU和一個雙核2.5 Hz CPU。

控制算法中的電機推力指令通過Radix FC飛控闆發送到電機，飛控闆運作一個自建的固件，也以200 Hz的頻率将IMU測量值發送到TX2。

同時，研究者使用了TeraRanger One，一個LED時空距離傳感器，來測量與地面的距離。

在評估方面，研究人員主要使用飛行資料來評估所提出的互補濾波器的性能，與沒有考慮旋轉運動的濾波器進行對比。

根據上圖顯示，當四旋翼在5秒左右開始旋轉時，标準互補濾波器的滾轉誤差變得很大。相比之下，經過旋轉校正的互補濾波器可以很好地估計俯仰角和滾轉角，盡管旋轉速率超過20rad/s。

上圖的底圖也解釋了滾動估計的巨大誤差。作為标準互補濾波器假設加速度計測量負重力矢量，紅線和藍線應該是重合的。然而，當出現相當大的向心加速度時，這種假設就失效了，這将導緻加速度計測量的顯著偏置。

相信，随着無人機的逐漸普及，這個算法的應用性也将逐漸擴充。不過對于這樣的特殊情況，這也不會是唯一解，如果你還有什麼好辦法，歡迎在留言區讨論~