用于自主无人机的精准室内定位系统
关于室内 DJI 无人机，我们有专门的页面：如何在室内自主飞行 DJI 无人机？
点击此处了解如何在 DJI 和 Pixhawk 之间做出选择。
其他与无人机相关的 Marvelmind 帮助资源
- 客户成功案例：基于 PixHawk + ArduPilot 的室内无人机自主飞行
- 使用外部电源为信标供电
- 用于无人机竞赛的室内定位系统
- 自主室内巡逻无人机需要多少个固定信标来覆盖办公空间？
- 将 IA 用于无人机
- 室内追踪 DJI：双房间版
- 室内无人机群和室内无人机表演的精准 XYZ 追踪
- 自主无人机降落台
- 精准室内定位系统的精度下降及其避免方法
- 帮助：PixHawk + PX4 + 配对信标用于定位 + 方向（替代磁力计）
- 帮助：在仓库中使用自主无人机进行巡检
- 室内微型无人机长距离追踪
- 启用实时播放器的微型无人机追踪
- 禁用实时播放器的微型无人机追踪
- 无需 GPS/GLONASS 的精准（±2 cm）室内 XYZ 追踪
- 无需 GPS/GLONASS 的精准（±2 cm）室外无人机追踪——双层水平飞行
- 室内全自主飞行
- 帮助：在旋翼机上安装移动信标
- 帮助：旋翼机的 Z 坐标——详细说明
- 旋翼机室外厘米级精度追踪
适用于无人机的推荐室内 RTLS——快速提示
如果您是 Marvelmind 室内”GPS”系统的新用户，不确定该如何选择，请选购 Starter Set Super-MP，其中 MP 代表多用途，这将是您最稳妥的选择。
如需了解更多详情，请参阅下方推荐方案。
总体而言，当您不确定该选择什么，或不清楚将进行哪些具体实验，但希望同时拥有最大灵活性和最佳性能时，这是最佳且最稳妥的选择。
当您需要连接 PixHawk 时，这也是最佳选择，因为 Super-Beacon 上已直接提供两个用于连接 PixHawk 的引脚。查看更多。
配置：
– https://marvelmind.com/product/starter-set-super-mp-3d/
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 用于配对信标配置的额外移动信标，可同时获取位置和方向。了解更多关于配对信标演示的信息
该套装专为微型无人机（<100g）设计，因为 Mini-TX 移动信标体积小巧、重量轻盈。Mini-TX 与固定信标的覆盖范围可达 15-20m，足以满足大多数实际应用场景。该套装也可用于较大型无人机，但 Mini-TX 的超声波范围小于 Super-Beacons。因此，如果重量不是关键因素，最佳选择是使用 Super-Beacons 作为移动信标。只有当重量真的是您唯一顾虑时，Mini-TX 才是无可比拟的选择。
Mini-TX 非常适合追踪应用。新版 Mini-TX-2 同样非常适合连接 PixHawk，因为它配备了一个专用 6 针连接器，其中两个引脚专用于 PixHawk 连接（TX + GND）——与 Super-Beacon 的设计类似。请注意，2022 年及之前交付的旧版 Mini-TX 底部没有 6 针连接器。
配置：
– https://marvelmind.com/product/starter-set-nia-03-smalldrone
“Starter Set Super-MP-3D + Super-Beacon——无人机上的定位+方向”选项的进阶版本。
精准 Z 轴功能在物理上由 2 个额外的固定信标组成，可在所有 Z 轴范围内获得精准的 Z 坐标。
了解更多：
– 安装手册 – 精准 Z 轴幻灯片
– 关于 Z 轴和信标放置的视频说明
配置：
– https://marvelmind.com/product/starter-set-super-mp-3d/
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 用于配对信标配置的额外移动信标，可同时获取位置和方向。了解更多关于配对信标演示的信息
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 用于精准 Z 轴功能的额外固定信标
小型无人机的室内定位系统与其他室内定位系统（例如用于较大型无人机或其他 3D（XYZ）室内定位系统）并无显著差异。
唯一的特殊之处在于安装在无人机上的移动信标（标签）的重量。解决方案是使用精简版 Mini-TX，即拆除外壳、移除电池或更换为超轻型电池。
此外，小型无人机通常较为基础——例如缺少机载计算机或自动驾驶仪（如 Pixhawk 及类似型号）。所有智能功能均来自地面站。但也有例外。
无人机群和无人机表演可能包含数十乃至数百架无人机。在室外飞行时，RTK GPS 表现非常出色。但 RTK GPS 在室内无法使用。
如果室内无人机群由数十架无人机组成，则应使用 IA。但在 IA 中，移动信标负责监听超声波，因此必须采用特殊解决方案来抵抗螺旋桨噪声，以确保系统正常运行。了解更多关于该解决方案的信息。
我们每周都会收到关于自主无人机或自主室内无人机室内定位系统的需求咨询，主要用于仓库巡检、自动条形码扫描或 RFID 读取。
毫无疑问，这一任务存在切实的需求，并且人们对使用无人机来完成该任务抱有浓厚的兴趣。
为实际应用构建这样一套系统是一项复杂但可以实现的任务。让我们来探讨实施细节。
Marvelmind 室内"GPS"支持搭载 ArduPilot 和 PX4 的 PixHawk
Marvelmind 室内”GPS”同时支持搭载 ArduPilot 和 PX4 的 PixHawk：
- Marvelmind 与 ArduPilot – ArduPilot.org 链接
- Marvelmind 与 PX4 集成手册 – 包含 Mission Planner、PixHawk 及硬件连接设置和截图的分步指导
- PixHawk 与 Marvelmind 集成手册 – 适用于无人机的 PixHawk、ArduPilot 和 Marvelmind 集成分步指南
Marvelmind 与 PixHawk
将 Marvelmind 室内”GPS”与 PixHawk 结合使用，是实现室内自主飞行最简便、最快捷的方式。
正确构建四旋翼飞行器室内定位系统
要成功实现室内飞行，需要注意以下几个较为简单的方面：
- 自主旋翼机设置手册 – 关于室内外自主旋翼机/无人机使用室内”GPS”系统的基本实用建议
- 安装手册 – 关于如何安装 Marvelmind 室内”GPS”系统以在不同应用和配置中实现最佳性能的实用建议和示例
- 帮助：旋翼机的 Z 坐标——详细说明 – YouTube 视频，解释如何正确放置固定信标以实现良好的 Z 轴精度。如果您因环境限制无法使用包含 4+2 个固定信标的精准 Z 配置，请记住，该配置仅推荐给高级用户使用，且仅在无法使用或不适合采用更基本、更稳健、精度更高的四固定信标布置在飞行区域上方的方案时才建议使用
请参阅产品页面了解各种套装选项。
请注意，仅使用三个固定信标进行 3D（XYZ）追踪时，对遮挡的抗干扰能力较弱。任何固定信标被遮挡——即非视距/听距情况——都将导致追踪中断或追踪错误——就像 GPS 一样：”无卫星可见 = 无 GPS 坐标 = 无法追踪”。
因此，我们建议固定信标至少具备 N+1 冗余。这也是我们 3D 套装包含 4 个固定信标的原因。
更好的选择是采用 2N 冗余，配合完全重叠的 3D 子地图。即使用 3+3 或 4+4 个固定信标。系统将自动选择最佳子地图进行追踪。这类系统具有很强的抗干扰能力，通过合理放置信标，即使在有立柱等复杂环境中飞行，也不会出现追踪问题。
实现优质追踪的关键在于确保任意飞行点的信号覆盖。这意味着无人机上的移动信标必须与属于同一子地图的三个或更多固定信标保持在 30m 范围内的清晰直接视距/听距。
合理的放置方式通常是无人机应用的关键，因为无人机需要 3D 能力；无人机飞行速度快，出现错误的代价尤为高昂。需要注意哪些方面？
在一个大型开放空间内追踪单架室内无人机非常简单。使用 Starter Set Super-MP 或 Starter Set NIA-SmallDrone，精准 3D 追踪系统可在 10-15 分钟内完成部署，包括拆箱和软件更新，适用于刚刚收到的套装。如果您在部署前已完成所有初始软件更新，系统可在一分钟内完成部署。
自主飞行是一项复杂得多的任务，因为您不仅需要精准追踪无人机，还需要将其自动驾驶仪与无人机/机体集成，而机体通常由不同部件组成（机架、电机、电机驱动器、数传、遥控器）。此外，自动驾驶仪还必须按上述方式与室内定位系统集成。
如果单架无人机的自主飞行已是一项颇具挑战的任务，那么无人机群的自主飞行则是这一复杂性金字塔的顶端。它更具挑战性，但只要循序渐进，仍然是可以实现的。
小型无人机太小，大型无人机太大
拥有一大群小型无人机并呈现精彩表演固然美好。然而：
- 电池容量与表演时长和无人机尺寸之间存在矛盾
- 自动驾驶仪和室内定位系统具有一定质量，这对无人机尺寸的下限形成了限制
- 无人机需要方向信息。最佳方案是在无人机上设置两个或更多定位点，间距越大，角度精度越高
如果无人机过大：
- 难以保持间距。需要更大的安全间距，从而需要更大的表演空间
- 大型无人机更重、噪音更大、更危险。噪音和防护网可能会破坏整个表演效果
让无人机以为自己独处
在许多情况下，可以将多架无人机的自主飞行设置为彼此互不感知的状态。它们认为自己是独一无二的特殊存在。维持这种单纯的”信念”对您有利，因为这是构建无人机群最简单的方式。
基于 Marvelmind 室内"GPS"的无人机表演室内定位系统配置示例
通过组合多种解决方案，可以利用 IA 实现无人机群飞行：用于无人机表演和无人机群的室内定位系统。
如果您是我们系统或无人机领域的新手，这一复杂方案可能不太适合您。但它为室内无人机表演提供了最佳性能，因为它允许多架自主无人机飞行而不会降低位置更新频率，并提供最高 ±2cm 的定位精度。
配置：
- IA
- 4 x https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 固定信标，布置于飞行区域周围和上方
- 1 x Modem v5.1
- 10 x Mini-RX + 麦克风 – 每架无人机配备一个混合移动信标
如上所述，首先需要决定的是您是否需要基于配对信标的方向。如果需要，则每架无人机需要两个移动信标。如果不需要，每架无人机只需一个移动信标。
使用单个移动信标飞行是可能的，但自动驾驶仪上的软件必须更复杂——并非开箱即用，因为它需要在飞行过程中提供方向并纠正无人机陀螺仪的漂移。这很复杂，可以实现，但很复杂。如果可能的话，我们始终推荐配对信标配置，作为室内方向的简便解决方案，即使在静态状态下也是如此。
然而，如上所述，对于蜂群无人机或室内无人机表演，这可能不是最佳选择。因此，我们将采用一个更复杂且更脆弱的方案，以单个移动信标作为无人机的主要配置。
配置：
- MF NIA – 强烈推荐为无人机蜂群使用MF NIA，因为NIA速度太慢，而且无人机对IA可能噪声过大
- 4 x https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 固定信标放置在飞行区域周围及上方
- 1 x Modem v5.1
- 10 x Super-Beacons – 用于十架无人机的移动信标
- 14 x MF NIA 许可证
如果您的无人机非常小巧，无法承载27克的负荷（Super-Beacon的精简版），那么不带额外电池和外壳的Mini-TX是您的最佳选择。在精简配置下，它仅重6.7克。
然而，Mini-TX仅在单一频率（31kHz）下工作。因此，NIA是您唯一的选择。所以，如果您有十架无人机，每架无人机的位置更新率将是系统位置更新率的1/10。对于5×5米的小型子地图，系统每秒可获得20-25Hz。因此，每架无人机的位置更新率约为2-2.5Hz。此位置更新率适用于缓慢移动的表演，但仍然比没有好得多。
配置：
- NIA
- 4 x https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 固定信标放置在飞行区域周围及上方
- 1 x Modem v5.1 – 系统的中央控制器。您可以通过它监控数据并控制无人机
- 10 x Mini-TX – 用于十架无人机的移动信标
基于UWB的系统
光学系统——周围部署二维码
由于潜在的简便性，这种方式越来越受欢迎：
- 摄像头朝下对准地板上的二维码（或其他特殊图案）。二维码同时提供位置和方向信息
- 如果更方便，二维码可以位于无人机上方（天花板上）
- 二维码也可以位于无人机周围，但这样需要更多摄像头或特殊的”鱼眼”摄像头
优点：
- 定位系统相对便宜
- 无需在周围安装有源信标
缺点：
- 需要在周围部署二维码——有时这要么不受欢迎，要么根本不可行
- 对特殊照明有要求
- 基于三角测量的系统，因此二维码必须密集且距离较近，否则定位精度会下降
考虑一种替代方案：无人机自主降落平台。
基于动作捕捉的系统
令人印象深刻的无人机表演让我们以为无人机非常智能，然而这种看法非常具有误导性。定位系统才是整套装置的核心——而非无人机本身。无人机其实相当”愚钝”，它们甚至不知道自己正在被追踪。此外，它们完全依赖追踪系统的位置数据进行远程控制，因此它们甚至更加”被动”。但这没关系，只要表演令人印象深刻且真正震撼人心，实现方式并不重要。
基于动作捕捉的系统：
- 这类系统价格昂贵甚至非常昂贵，因为它们需要高速高分辨率红外摄像头、摄像头与中央计算机之间大量的数据连接（线缆）、高性能计算机以及特殊的红外照明设备
- 由于定位基于三角测量，覆盖区域自然受到限制，通常仅限于10×10米左右
- 好的一面是，无人机上的追踪器轻便且被动——只是普通的光反射器
在Marvelmind室内"GPS"上实现无人机精确室内定位、追踪和导航的实施案例
在室内对DJI Phantom四旋翼无人机进行3D（XYZ）精确（±2厘米）追踪
- X、Y、Z方向的精确追踪（XY视图 + XZ视图 + YZ视图）
- 来自Dashboard播放器的原始数据和后处理数据——请注意，如今同样的功能不仅在后处理中可用，在实时播放器中也已可用
- DJI生态系统是封闭的，至少对于Phantom和Mavic系列而言如此。因此，可以追踪Phantom，但无法在室内自主飞行（除非进行更深层次的破解）
- 了解更多关于在室内自主飞行DJI无人机的信息
在室外对DJI Phantom四旋翼无人机进行3D（XYZ）精确（±2厘米）追踪
- 在XYZ方向进行精确（±2厘米）追踪（XY视图 + XZ视图 + YZ视图）——与上述相同，但在室外进行
- 本演示与上述演示均采用由4+2个固定信标组成的相同Precise-Z配置。更多信息请参阅安装手册
- 了解更多关于在室内自主飞行DJI无人机的信息
室内完全自主飞行
- 小型旋翼机依靠Marvelmind室内”GPS”实现完全自主飞行
使用IA进行室内无人机追踪和室内无人机蜂群控制
室内追踪小型及微型无人机
无人机追踪的最低配置为任何具备3D能力的NIA套装。例如，三个固定信标 + 1个移动信标 + 1个调制解调器以及非逆向架构（NIA）或多频NIA（MF NIA）即可满足无人机的需求。
用于仓库巡检的无人机
使用无人机进行仓库巡检非常普遍——用于寻找丢失的托盘、安全巡逻等。是的，这是一项可行的任务，但在实践中非常复杂：
- 整体环境极具挑战性
- 无人机会坠落并损坏，出错代价高昂
- 无人机飞行存在潜在危险，开发和使用难度也很大
尽管如此，该解决方案前景广阔。因此，无人机制造商或仓库系统开发商使用我们的室内定位系统来构建此类解决方案。在视频中，我们解释了该环境的特殊性（狭窄的通道和高大的货架），这些特殊性如何影响精度，以及如何以最优方式构建系统。
无人机自主降落平台
可以为无人机构建一个自主降落平台，甚至可以是移动式的：
- 您将四个朝上的固定Super-Beacon放置在平台的边缘。平台越大，距离精度越高
- 您将两个朝下的移动Super-Beacon安装到无人机上
无人机在距平台较远（30米以上）时使用常规RTK GPS甚至普通GPS飞行。它锁定到室内”GPS”坐标，并根据这些坐标完成降落。如前所述，平台可以相对于地面静止，也可以移动，这对无人机来说无关紧要。因此，您可以精确降落在移动的车辆上。