相信大家已经在刚才的冬奥开幕式上，领略到了无人机灯光表演的风采，由2022架无人机组成的“冰墩墩”和“雪容融”缓缓升起，冬奥主题跃然夜空中。近年来，无人机灯光秀逐渐成为流行的大型活动表演节目，似乎有替代传统烟花表演的势头。相比烟花表演，它具有环保、成本低廉、可控性强、以及视觉震撼等多种优势。在这篇文章中，AIR将会深度介绍这一新型数字艺术表演系统及其技术原理。
图源：央视冬奥会开幕式直播画面
无人机灯光秀简介
无人机灯光表演最早产生于2016年。苏黎世联邦理工大学的教授 Raffaello D'Andrea (也是Kiva System创始人) 在TED演讲台上进行了微型无人机集群表演，一夜之间吸引了无数目光。在此之后， 后来者更是将无人机灯光艺术推向极致，出现了一系列加入真人舞蹈的数字艺术表演。
TED 集群表演
6年时间过去，随着消费级无人机市场的持续扩大以及其行业应用日趋成熟，无人机领域的技术成熟度已经今非昔比，具体表现在：开源的飞控软件已经能应对大部分突发外部扰动，处理大部分内部问题；而更强大的状态估计算法不仅能估计飞机自身物理状态，还能估计外部扰动的精确状态；成熟的软件仿真系统能代替实体飞机，进行虚拟环境中的测试；不仅如此，传感器的精度也提升到了更高的水平，从而支持对飞机状态进行更加精确的估计；此外，动力系统相比于以前具备了更高的控制精度和能量利用率。
在这些基础构件的进步之上，很多人以跨领域的技术努力为我们带来了最终能大范围生产和普及的大规模无人机集群表演系统，使无人机灯光秀走出了TED演讲厅。
以国外的 Drone Show Software (DSS) 为例，此系统能够控制上百架无人机按照事先设计好的三维动画精确运动，并在百米高空精准呈现出事先设计的动画效果。
DSS 无人机表演
国外类似的无人机表演组团队还有 Intel 、Skymagic；国内也有大漠大、千机科技、空中未来等等。其中大漠大还在2020年刷新了全球最大规模无人机编队的吉尼斯世界纪录。
大漠大无人机表演
无人机灯光秀的部署流程
如此壮观的表演是如何开始的呢？在设计阶段，节目制作人员会将需要表演的形状、文字、动态过程以三维动画的形式制作出来。这些用于空中表演的3D动画和普通3D动画没有本质区别，主要的不同在于3D表演动画需要考虑从各个角度观看的观赏性。
DSS用于空中表演的3D动画
动画创建完成后，软件会通过算法为数百架无人机生成单独的飞行轨迹，进入模拟飞行阶段。这个阶段被称作“软件在环仿真” （SITL）。软件会为数百架仿真飞机逐一加载飞行路线，让无人机集群在模拟环境中表演，以测试上一阶段生成的路线是否能够被执行。在这个阶段发现任何问题都会及时纠正，如某些奇怪的飞行动作受到物理限制（例如，飞行加速度在物理条件下无法达到）或者会导致飞机相撞。
软件在环仿真（SITL）示意图
下一步是在地面站软件中设置好地理围栏（防止无人机由于突发状况跑到安全区域之外），之后就可以进行现场部署了。
操作人员需要带以下设备到现场：RTK-GPS基站、地面站计算机、WIFI、以及无人机集群。现场部署的第一步通常是测量场地位置并决定朝向，这一过程需要用到高精度的差分GPS基站，从而为无人机集群建立基准坐标系。架设好WIFI后，则需要为每架飞机测试通讯链路来确保