梅武軍

(浙江大學(xué) 臺州研究院，浙江 臺州 318000)

基于ROS的多旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

梅武軍

(浙江大學(xué) 臺州研究院，浙江 臺州 318000)

小型飛行器路線制導(dǎo)和控制系統(tǒng)的改良升級主要以更精準的飛行器定位和遙控功能為核心技術(shù)評判指標，但飛行器飛行的復(fù)雜環(huán)境影響和不確定性干擾因素，會對飛行器控制者的信號接收/傳導(dǎo)造成不可預(yù)期的影響，致使無人機在飛行過程的定位偏差造成剮蹭或碰撞事件，嚴重者甚至影響到控制信號的實時傳輸，造成失控和航跡偏移現(xiàn)象。文中針對在GPS信號缺失環(huán)境下的多旋翼飛行器的系統(tǒng)定位和自主飛行控制問題，設(shè)計開發(fā)出一種基于視覺導(dǎo)航構(gòu)建的中央自控系統(tǒng)，其設(shè)計引入新式Pixhawk模塊作為核心算法，協(xié)同ROS飛行系統(tǒng)，共同建立穩(wěn)定低耗的通信導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多旋翼無人機自主飛行控制系統(tǒng)和自主航跡修正。

多旋翼飛行器；ROS系統(tǒng)；視覺導(dǎo)航；Pixhawk模塊與定位算法；航跡控制與自主飛行

AbstractThe improved upgrade of the small aircraft route guidance and control system is mainly based on the more accurate aircraft positioning and remote control function as the core technology evaluation index, but the complex environment and uncertain disturbance factors of the aircraft flight will results in unpredictable effects of the reception / transmission of the signal of aircraft controller, resulting in unmanned aerial vehicles in the flight process positioning bias caused by cutting or collision events, serious and even affect the real-time transmission of control signals, resulting in out of control and track migration phenomenon. In this paper, a central control system based on visual navigation is designed and developed for the system location and autonomous flight control of multi-rotor aircraft in the absence of GPS signal. The new Pixhawk module is designed as the core algorithm, cooperative ROS flight system to establish a stable and low-cost communication and navigation network, and achieve multi-rotor unmatched autonomous flight control system and autonomous track correction.

Keywordsmulti-rotor aircraft; ROS system; visual navigation; Pixhawk module and positioning algorithm; track control and autonomous flight

人工智能化的快速發(fā)展促進了無人機飛行控制系統(tǒng)的智能化開發(fā)進程,也使無人飛行器在不可視環(huán)境下的垂直起降穩(wěn)定性、機動性和航跡規(guī)劃技術(shù)成為研究的熱門方向[1-3]。具備高精度和自動化控制性能的無人飛行器，將承擔(dān)更多的密封環(huán)境先導(dǎo)探測和廢棄、危險建筑的偵查任務(wù)，并將更多用睛民用。因此，多旋翼無人機成為新技術(shù)開發(fā)的首選。然而，現(xiàn)有的多旋翼飛行器技術(shù)均采用衛(wèi)星GPS進行定位與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通信。這在復(fù)雜地形內(nèi)容易受到潛在不確定因素干擾，從而大幅影響無人機的工作效率，嚴重情況下的信號丟失還會造成飛行器通信中斷，被迫停止工程作業(yè)。

針對這些常見技術(shù)狀況，在進行新的多旋翼飛行器系統(tǒng)預(yù)構(gòu)過程中，采用全新的單目視覺定位系統(tǒng)進行位姿定位和數(shù)據(jù)評估，采用多端信息采集方式異步同傳，來保障各類干擾情況下的通信穩(wěn)定性。此外，引入匹配精度算法模塊，將其集成嵌入到飛行器的ROS系統(tǒng)中，在維持負載輕量的前提下，大幅提升飛行控制精度，預(yù)防和解決多類飛行器定位失常與數(shù)據(jù)損失的問題[4]。再協(xié)同內(nèi)嵌式微型計算機提供系統(tǒng)交互，完成算法到功能的快速修訂，真正實現(xiàn)多旋翼無人機自主飛行控制系統(tǒng)和自主航跡的修正。

1 飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計

考慮到無人機的綜合性能，本文選擇六旋翼無人飛行器進行系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計。整個控制系統(tǒng)涉及到的硬件有：飛行器控制核心、嵌入式微型計算機、光學(xué)傳感器、供電系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)。此外，考慮到ROS系統(tǒng)兼容Linux系統(tǒng)，屬于次級操作系統(tǒng)。嚴格來說，屬于一類軟件開發(fā)框架[5]，這種框架在底層提供消息的傳遞和操作驅(qū)動，具備著優(yōu)秀的可擴展性，可對其進行豐富的第三方軟件開發(fā)后加載到ROS系統(tǒng)上，這也是本文基于ROS進行設(shè)計開發(fā)的原因。

綜合來說，ROS的層次結(jié)構(gòu)可集成眾多前沿的軟件開發(fā)模式，且在機器人系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用中，具備著以下性能優(yōu)勢。(1)分布式管理。ROS層級中，每個軟件包均相對獨立，每個模塊之間高度解耦，業(yè)務(wù)可通過ROS通信機制進行自由消息發(fā)布和訂閱服務(wù)；(2)多語言支持。ROS系統(tǒng)可支持多種開發(fā)語言，包括主流的C++、python等，可實現(xiàn)多語法編程；(3)ROS具備龐大的開元社區(qū)。龐大的開源社區(qū)意味著更多更全面的第三方軟件包庫支持，ROS具備全面的免費軟件包進行二次開發(fā)，這對新系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化具有較強的技術(shù)支持。

圖1 無人機整體架構(gòu)圖

1.1 上位機系統(tǒng)的設(shè)計

飛行器的主要飛行控制行為和航跡計算均是在上機位的Linux系統(tǒng)中完成的。另外，本文引入MAVROS第三方軟件包負責(zé)中控與底層的對接，以獲取通信數(shù)據(jù)，包括位姿和環(huán)境圖像。信息回傳給控制節(jié)點后，在主控程序進行數(shù)據(jù)處理，再發(fā)送運動控制指令。此外，還可以用同樣的方法創(chuàng)建圖像處理節(jié)點，對接USB攝像頭后，可實現(xiàn)主控程序和底層飛控的信息交互[6-7]。

上位機作為控制核心，主要承載信息的交互和處理任務(wù)。而在系統(tǒng)的選擇與開發(fā)中，還要充分考量到設(shè)計課題的需求，嚴格滿足算法模塊計算能力需求的同時不打破飛行器的輕量化標準。基于種種考量，本文選擇了芯片處理能力、系統(tǒng)可擴展性和輕量便攜性均較為出色的ODROID U3作為上位機系統(tǒng)。

1.2 底層飛控系統(tǒng)設(shè)置

底層飛控主要包含動力核心在內(nèi)的飛行控制系統(tǒng)，提供動力支持在內(nèi)的所有無人機運動行為和性能穩(wěn)定功能。

根據(jù)機身系統(tǒng)承載指標和實驗設(shè)計需求，飛行器的負載較高，包括攝像頭和上位機系統(tǒng)在內(nèi)的部件對機身與動力負荷較大。因此，在機身材料和動力系統(tǒng)選擇時首要考慮到堅韌和承重特性。本機設(shè)計采用碳纖維管形材料，機身輕質(zhì)且強度極高，動力系統(tǒng)選擇颶風(fēng)4110型電極系統(tǒng)，最大功率可達到500 W以上，滿負載時功率比維持在60%以下，可穩(wěn)定實現(xiàn)運動控制功能。

圖2 機架材料和組裝部件

飛控核心的性能決定著飛行器位姿和航跡的穩(wěn)定性，在控制飛行中起著決定性的作用?，F(xiàn)有的主流飛控核心類別主要有：Pixhawk飛控、大疆飛控、零度飛控。本機基于設(shè)計需要，選擇主控處理能力、計算分析速度較強的Pixhawk飛控。其同時還能兼容各類的傳感器設(shè)備，提供豐富的硬件接口，可進行多元化擴展。在實際的無人機組建過程中將上機位系統(tǒng)和Pixhawk飛控相連接，使數(shù)據(jù)主要通過飛控的UART接口槽進行上機位的USB通信。

2 軟件系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)基于Linux進行開發(fā)，且所有的控制數(shù)據(jù)交由ROS進行處理。因此，上機位和底層控制動力核心之間的通信取決于ROS節(jié)點開發(fā)模式的效率。為了使程序的開發(fā)和環(huán)境配置更加簡便，底層設(shè)計采用ARM CortexM3的STM系列芯片進行數(shù)據(jù)通信交互。內(nèi)部軟件構(gòu)架如下，將功能分為3層來保證數(shù)據(jù)間高度解耦與高效通信[7-14]。

圖3 多旋翼無人機的軟件層構(gòu)建

(1)系統(tǒng)內(nèi)核層。處于系統(tǒng)硬件驅(qū)動的最底層，作為驅(qū)動程序?qū)痈黝惗丝?。本機包括上位機的攝像頭接口和驅(qū)動USB串口，飛控的對接端口以及機載傳感器接口；(2)中間結(jié)構(gòu)框架層。作為軟硬件的后備過渡層，本機主要引入了OpenCV和Math計算庫，承擔(dān)包括ROS在內(nèi)的上層應(yīng)用API調(diào)用的功能；(3)上層應(yīng)用層。屬于系統(tǒng)核心層。設(shè)計與開發(fā)的重要工作均集中在應(yīng)用層的構(gòu)件上。要實現(xiàn)更先進的無人機控制，高效完成定點飛行、航跡規(guī)劃、實時圖像傳輸和標位搜索的功能，依賴于ROS與MAVROS的編程及多端調(diào)試。

通過ROS與MAVROS軟件包鏈接底層飛控，編程獲取飛行數(shù)據(jù)信息，以Topic為媒介下達控制指令，詳情如圖4和圖5所示。

圖4 Topic信息發(fā)布與訂閱

圖5 ROS操作Service服務(wù)

3 結(jié)束語

本文自主設(shè)計開發(fā)了多旋翼搭載平臺，采用最新移動終端技術(shù)做遠程控制，實現(xiàn)非ROS與無人機ROS的通信與控制指令發(fā)布。此外，設(shè)計采用的功能模塊擴展性強，可通過第三方軟件實現(xiàn)上位機系統(tǒng)和底層系統(tǒng)的接口對接，并自主搭建了從上位機系統(tǒng)、中間層到底層飛控的全套無人機結(jié)構(gòu)，目標明確的針對現(xiàn)有機型存在的通信易干擾、運動控制不穩(wěn)定、圖像定位不準問題進行全面優(yōu)化與提升。其不僅實現(xiàn)了控制性能、通信質(zhì)量、圖像定位與目標搜索的提升，還保留了無人機的輕質(zhì)、靈活的機身特性。實踐考察中無人機的工作效率有大幅提升，多項測試結(jié)果表明本設(shè)計系統(tǒng)具備廣闊的發(fā)展前景。

[1] Smith R,Cheeseman P.On the representation and estimation of spatial uncertainty[J]．International Journal of Robotics Research,2009,5(4):56-68.

[2] Bachrach A,Prentice S,He R,et a1.RANGE-robust autonomous navigation in GPS—denied environments[J].Joumal of Field Robotics,2011,28(5):644-666.

[3] 查尤平.平滑型SLAM中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的魯棒性研究[D].北京:北京交通大學(xué),2016.

[4] Keller J.Navy issues urgent order to equip MQ-8 UAV helicopter with maritime surveillance radar[J].Military and Aerospace Electronics,2013,24(2):31-32．

[5] Zhang Y, Webber R.Dynamic world modeling for a mobile robot among moving objects[J].Robotica,2006,14(5):553-560.

[6] 張孟志.未知環(huán)境下的移動機器人同步定位與地圖構(gòu)建研究[D].西安:西安理工大學(xué),2012.

[7] 曾品善,妙全興,徐磊.自主移動機器人即時定位與地圖構(gòu)建方法研究[J].電子科技,2013,26(9):177-178.

[8] 岳基隆,張慶杰,朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J].電光與控制,2010,17(10):46-52.

[9] 賀俊旺.基于反步法的微小型四旋翼無人機飛行控制研究[D].南京:東南大學(xué),2013.

[10] 王歡.小型四旋翼無人直升機姿態(tài)控制技術(shù)研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2015.

[11] 李勁松,宋立博,顏國正.基于自適應(yīng)逆控制方法的小型四旋翼無人直升機姿態(tài)控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2012,46(6):956-961.

[12] 崔江東.小型四旋翼無人直升機飛行控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].烏魯木齊:新疆大學(xué),2014.

[13] 李勁松,楊煉,王樂天.小型四旋翼無人直升機自適應(yīng)優(yōu)化控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2015,49(2):202-208.

[14] 張建偉,張立偉,胡俊,等.開源機器人操作系統(tǒng)[M]北京:科學(xué)出版社,2012.

Development and Design of Flight Control System for Multi Rotor Vehicle based on ROS

MEI Wujun

(Taizhou Institute，Zhejiang University, Taizhou 318000, China)

TN256

A

1007-7820(2017)10-023-03

2017- 06- 30

梅武軍(1984-)，男，工程師。研究方向：無人機，工業(yè)自動化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.10.007