Visual Inertial Odometry (VIO)

视觉惯性里程计测距（VIO）是一种计算机视觉技术，用于估算3D姿态（local 位置和方向），相对于 local 起始位置的移动的机体 速度。 它通常用于在GPS不存在或不可靠的情况下（例如室内或在桥下飞行时）给载具导航。

VIO 使用 视觉里程计（Visual Odometry） (opens new window) 从相机图像中估计机身姿态，并结合机身IMU的惯性测量（以校正因不良的图像捕获导致的机身快速移动的错误）。

本节说明如何通过设置 PX4 和机载计算机来使用已支持的 VIO 配置。

提示

上面的 Auterion 产品视频 (opens new window) 展示了一个无人机飞行使用了支持的设置。

提示

Note 这个（支持的）解决方案使用 ROS 来路由 VIO 信息到 PX4 。 PX4 本身并不关心消息源，通过 MAVLink接口 提供消息就行。

支持的配置

提示

上面的 Auterion 产品视频 (opens new window) 展示了一个无人机飞行使用了

支持的设置</0>。 :::

相机安装

将相机连接到机载计算机并将其安装到机架上：

• 使用提供的线缆连接 T265 Intel Realse 追踪摄像头。
• 尽可能使镜头朝下安装相机（默认）。
• The camera is very sensitive to vibration; a soft mounting is recommended (e.g. using vibration isolation foam).

ROS/VIO 安装

设置桥接，ROS 和 PX4：

• 在机载计算机上安装和配置 MAVROS。

• 获取 Auterion VIO Bridge ROS 节点 (opens new window)：

  • 从仓库中克隆代码到你的 catkin 工作空间。

  cd ~/catkin_ws/src
  git clone https://github.com/Auterion/VIO.git
  

  • 构建软件包:

    cd ~/catkin_ws/src
    catkin building px4_realsense_bridge
    

• 如果需要，配置摄像头方向：

  • 如果摄像机的镜头朝下安装（默认设置），则VIO桥接器不需要任何配置。

  • 对于任何其他方向，请在以下部分中修改 bridge_mavros.launch (opens new window)：

    <node pkg="tf" type="static_transform_publisher" name="tf_baseLink_cameraPose"
        args="0 0 0 0 1.5708 0 base_link camera_pose_frame 1000"/>
    

这是将摄像机ROS帧camera_pose_frame链接到mavros无人机帧base_link的静态转换。

• 前三个参数指定解释为从飞控中心到摄像机的 x，y，z方向，以米为单位。 例如，如果摄像头在飞控前方10cm，上方4cm, 则前三个数字将是：[0.1, 0, 0.04 ...]

• 接下来的三个 参数 是旋转弧度(偏航, 俯仰, 横滚)。 所以 [... 0, 1.5708, 0] 是向下俯仰90度(朝向地面)。 直面是 [... 0 0 0]。

• 按照下方的说明调整 PX4 EKF2 估计器。

• 通过使用适当的启动文件调用 roslaunch 来运行VIO：

  cd ~/catkin_ws/src
  roslaunched px4_realsense_bridge_mavros.launch
  

启动文件选项是：

• bridge_mavros.launch (opens new window): 在大多数情况下在无人机/无人车上使用(启动桥桥接和MAVROS)。
• bridge.launch (opens new window): 如果其他组件负责启动 MAVROS（仅启动桥接），则使用
• bridge_mavros_sitl.launch (opens new window):用于模拟仿真(启动桥接, MAVROS, SITL)
• 验证与飞控的连接。

提示

您可以使用*QGroundControl * MAVLink检查器 (opens new window)来验证是否收到ODOMETRY或VISION_POSITION_ESTIMATE消息（或检查是否存在 HEARTBEAT消息，其组件ID为197（MAV_COMP_ID_VISUAL_INERTIAL_ODOMETRY）。

• 在第一次飞行前 确认 VIO 设置正确！

PX4 调试

将相机连接到机载计算机并将其安装到框架：

参数	外部位置估计的设置
EKF2_AID_MASK	Set vision position fusion, vision velocity fusion, vision yaw fusion and external vision rotation according to your desired fusion model.
EKF2_HGT_MODE	设置为 Vision 使用视觉作为高度估计的主要来源。
EKF2_EV_DELAY	设置为测量的时间戳和 "实际" 捕获时间之间的差异。 有关详细信息，请参阅 below。
EKF2_EV_POS_X, EKF2_EV_POS_Y, EKF2_EV_POS_Z	设置视觉传感器相对于车身框架的位置。

这些参数可以在QGroundControl>Vehicle Setup > Parameters > EKF2中设置（切记要使参数更改生效需要重启飞控）。

更多详情/附加信息，见： ECL/EKF 概述 & 调试 > 外部视觉系统。

EKF2_EV_DELAY 调参

EKF2_EV_DELAY是相对于 IMU 测量值的视觉位置估算器的延迟 。 换而言之，这是视觉系统时间戳和 IMU 时钟（ EKF2 “时基” ）记录的“实际”捕获时间之间的差异。

从技术上讲，如果 MoCap 和（例如）ROS 计算机之间有正确的时间戳（而不仅仅是到达时间）和时间同步（例如 NTP ），则可以将其设置为0。 In reality, this may need some empirical tuning because delays in the communication chain are very setup-specific. 系统设置完全同步链的情况很少见!

通过检查 IMU 速率和 EV 速率之间的偏移，可以从日志中获取对延迟的粗略估计：

提示

注意 可以使用 FlightPlot 或类似的飞行分析工具生成一组外部数据与板载估计（如上）。

可以通过更改参数来进一步调整该值，以找到在动态变化中最低的 EKF 更新值。

检查/校验 VIO 估计

执行以下检查，以确保在首次飞行之前 VIO 正常运行：

• 设置 PX4 参数 MAV_ODOM_LP 为1。 然后PX4将接收到的外部姿态用MAVLinkODOMETRY (opens new window)消息回传。 您可以使用 QGroundControl MAVLink 检查器 (opens new window) 查看这些MAVLink 消息

• 偏航机身，直到ODOMETRY消息的四元数非常接近单位四元数（w = 1，x = y = z = 0）。

  • 在这一点上，机架与外部姿态系统的参考机架一致。
  • 如果在不使横滚或俯仰的情况下无法使四元数接近单位四元数，则机架可能仍存在俯仰或滚动偏移。 这种情况下不要再检查机架坐标系。

• 对齐后，将机架抬离地面，应该看到位置的z坐标减小。 向前移动无人机，应该增加位置的 x 坐标。 向右移动无人机时，应增加 y 坐标。

• 检查消息中的线性速度是否以 FRD 机架参照系表示。

• 设置 PX4 参数 MAV_ODOM_LP 为 0。 PX4 将停止 ODOMETRY 消息回传。

可以通过更改参数来进一步调整该值，以找到在动态变化中最低的EKF更新值。

1. 将无人机放在地面上，并开始流式传输ODOMETRY反馈（如上所述）。 油门杆推到最低并解锁。

   此时，设置为位置控制模式。 如果切换成功，飞控会闪绿灯。 绿灯代表：你的外部位置信息已经注入到飞控中，并且位置控制模式已经切换成功。

2. 油门杆放到中间位置（死区），以便无人机保持飞行高度。 提高操控杆会增加参考高度，降低操控杆会降低参考高度。 同样，另一个操控杆会更改离地位置。

3. 推油门杆无人机会起飞，起飞后立即将油门杆回中。

4. 确保无人机可以保持位置。

故障处理

执行以下检查，以确保在首次飞行之前 VIO 正常运行：

如果连接正确， 常见问题 / 解决方案是：

• 问题： 当无人机飞行时发生漂移/飞走，但是当拿掉螺旋桨时不会发生漂移。

  • 如果使用 T265，请尝试将其软安装（soft-mounting，做好减震，此相机对高频振动非常敏感）。

• 问题： 启用 VIO 时产生了马桶效应。

  • 确保相机的方向与启动文件中的变换匹配。 使用 QGroundControl MAVLink 检查器 (opens new window) 验证来自 MAVROS 的 ODOMETRY 消息中的速度是否与 FRD 坐标系统一致。

• 问题： 想使用视觉位置来做闭环，也想运行 GPS 。

  • 这确实很困难，因为当他们不同意时，就会混淆 EKF。 通过测试，仅使用视觉速度更为可靠（如果您想出一种使该配置可靠的方法，请告诉我们）。

开发人员信息

对扩展此实现感兴趣的开发人员（或编写另一种不依赖 ROS 的实现）应该看看 使用视觉或运动捕获系统进行位置估计。

本主题还说明了如何配置 VIO 来配合 LPE 估计器 一起使用（不推荐）。

更多信息

• ECL/EKF 概述 & 调试 > 外部视觉系统