陳晉音，楊東勇，俞山青，毛國(guó)紅

(浙江工業(yè)大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023)

無(wú)人飛行器(unmanned aerial vehicle,UAV)是指不需要人為操縱，通過(guò)機(jī)載芯片的內(nèi)置程序自主行駛的無(wú)人駕駛飛行器[1]。隨著無(wú)人機(jī)的應(yīng)用推廣，其自主導(dǎo)航已經(jīng)成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)的控制和航跡規(guī)劃算法作為新興專業(yè)的授課重點(diǎn)，課程的配套實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和資源相對(duì)比較薄弱，教學(xué)過(guò)程中理論教學(xué)與實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)，純課堂理論教學(xué)已經(jīng)無(wú)法滿足學(xué)生深入學(xué)習(xí)和理解無(wú)人機(jī)技術(shù)的要求。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并盡可能發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)有良好基礎(chǔ)平臺(tái)的開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目顯得尤為有意義。

此外，無(wú)人機(jī)技術(shù)涉及內(nèi)容廣泛，是一門集運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)學(xué)建模、航跡規(guī)劃、優(yōu)化算法和可視化編程技術(shù)等為一體的綜合性課程[2-3]，傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，能夠讓學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)的基本框架和基本技術(shù)[4-6]有初步認(rèn)識(shí)[4-6]，但缺乏對(duì)無(wú)人機(jī)的實(shí)戰(zhàn)操作、具體問(wèn)題的分析和求解以及綜合應(yīng)用的教學(xué)資源和平臺(tái)；并且學(xué)生受限于平臺(tái)和資源，無(wú)法在應(yīng)用中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在創(chuàng)新中學(xué)習(xí)[7-8]。此外，大量關(guān)于創(chuàng)客式教學(xué)的研究中也提及設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的重要作用[9-12]。

基于機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system，ROS)的無(wú)人機(jī)技術(shù)開放性實(shí)驗(yàn)充分利用ROS仿真平臺(tái)的可視化和接口擴(kuò)充性，利用Kinect獲取外部環(huán)境信息，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的建模、運(yùn)動(dòng)控制、航跡規(guī)劃、優(yōu)化算法和可視化編程、動(dòng)態(tài)演示編程等技術(shù)，能充分發(fā)揮學(xué)生在應(yīng)用中學(xué)習(xí)，體現(xiàn)無(wú)人機(jī)技術(shù)的高度綜合性和應(yīng)用性。

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于ROS的開放性無(wú)人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，討論了教學(xué)方案和教學(xué)方法，采用課堂教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的教學(xué)模式，采用以學(xué)生為中心展開學(xué)習(xí)、研討和開發(fā)，教師啟發(fā)指導(dǎo)為輔的開放式教學(xué)，讓學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)新，達(dá)到綜合運(yùn)用知識(shí)，強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的。

1 基于ROS的無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃系統(tǒng)是集無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境信息采集與規(guī)劃方法等分析于一體的軟硬件集成系統(tǒng)，傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中采用理論教學(xué)的方式讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)雜抽象、難以理解的感覺(jué)。限于無(wú)人機(jī)設(shè)備的價(jià)格昂貴，對(duì)操控要求高等原因，很多相關(guān)課程的授課均未能實(shí)現(xiàn)真機(jī)的操控和學(xué)習(xí)研究。因此設(shè)計(jì)一套基于全面仿真功能的無(wú)人機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

ROS是面向機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的開源的元操作系統(tǒng)(meta-operating system)，它提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)環(huán)境，如進(jìn)程間通信、硬件抽象、內(nèi)存管理、底層設(shè)備控制。ROS將所有程序抽象成節(jié)點(diǎn)，利用話題和消息機(jī)制進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的通信，同時(shí)內(nèi)置了節(jié)點(diǎn)管理器可視化地顯示出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以及消息的運(yùn)行情況，便于開發(fā)和后期代碼的維護(hù)并且代碼的重用性高。

本文設(shè)計(jì)的開放性實(shí)驗(yàn)基于ROS平臺(tái)，利用Kinect等設(shè)備獲取地圖環(huán)境信息，搭建無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的航跡規(guī)劃算法，在環(huán)境模型中實(shí)現(xiàn)二維和三維的航跡規(guī)劃可視化系統(tǒng)，從而達(dá)到讓學(xué)生綜合利用控制理論、數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化計(jì)算等關(guān)鍵知識(shí)的目標(biāo)。基于ROS的無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和航跡規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于ROS的無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)人機(jī)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)的開放性實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)突出對(duì)各門課程關(guān)鍵知識(shí)的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，突出理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)踐創(chuàng)新，加強(qiáng)電子信息和計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用需求分析、問(wèn)題分解和設(shè)計(jì)以及研究和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)硬件包含Kinect和CCD攝像頭等環(huán)境信息采集設(shè)備，軟件主要包括ROS仿真環(huán)境，硬件設(shè)備也可以用已有的典型地圖信息代替，重點(diǎn)是完成無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型搭建、環(huán)境建模、航跡規(guī)劃方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及可視化的系統(tǒng)展現(xiàn)。

2.1 設(shè)備與軟件平臺(tái)

根據(jù)圖1的系統(tǒng)框架，無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)主要包括以下4個(gè)部分。

1)信息采集設(shè)備。

主要用于無(wú)人機(jī)獲取外部環(huán)境信息，包括Kinect和CCD攝像頭等。如果實(shí)驗(yàn)條件受限，則環(huán)境地圖信息可以用已有的地圖信息取代。

2)ROS仿真環(huán)境。

本實(shí)驗(yàn)使用的是ROS的Indigo版本，支持的編程語(yǔ)言有python以及C++，并且兼容PCL、OpenNI等大型開源庫(kù)。

3)數(shù)學(xué)建模與優(yōu)化算法設(shè)計(jì)。

根據(jù)環(huán)境信息基于柵格法、散點(diǎn)圖等建立地圖，隨后基于RRT、智能計(jì)算等方法實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃。

4)無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型搭建。

飛行器的運(yùn)動(dòng)可以分為質(zhì)心的線運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心的角運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律可知飛行器的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)方程，從而得到四旋翼飛行器的非線性動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)開放實(shí)驗(yàn)主要包括無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型建模、航跡規(guī)劃算法設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)可視化演示三部分功能。根據(jù)上述系統(tǒng)框架，將實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容分成環(huán)境信息采集與建模、無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建、航跡規(guī)劃方法設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)可視化演示平臺(tái)開發(fā)等部分。實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.2.1 環(huán)境信息獲取

由于激光傳感器可以采取深度信息，通過(guò)深度信息轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)(.pcd)格式。點(diǎn)云格式可以通過(guò)PCL點(diǎn)云庫(kù)進(jìn)行處理，且ROS集成PCL點(diǎn)云庫(kù)，故采用此方式獲取環(huán)境信息。實(shí)驗(yàn)調(diào)用了PCL庫(kù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀取，并使用函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為ROS消息格式sensor_msgs進(jìn)行發(fā)布。

2.2.2 環(huán)境建模

由于環(huán)境數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即以大量坐標(biāo)點(diǎn)表示障礙物以及環(huán)境信息，并且航跡規(guī)劃采用了采樣算法，所以采用柵格法對(duì)環(huán)境建模，在碰撞檢測(cè)過(guò)程中只需遍歷路徑經(jīng)過(guò)的柵格是否包含障礙物節(jié)點(diǎn)即可完成。柵格法不需要對(duì)障礙物進(jìn)行數(shù)學(xué)表示，計(jì)算需求較少。實(shí)驗(yàn)調(diào)用了Eigen(ROS自帶的C++矩陣庫(kù)，支持各種矩陣運(yùn)算)完成三維柵格法的開發(fā)。

2.2.3 航跡規(guī)劃

傳統(tǒng)二維路徑規(guī)劃算法較難移植到三維環(huán)境中(由于其計(jì)算復(fù)雜度上升)，而采樣算法隨維度變化計(jì)算復(fù)雜度影響不大，因此較適合用于三維環(huán)境下的路徑規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)采用了基于B-RRT*算法改良的MB-RRT*算法，該算法是全局算法，根據(jù)全局地圖生成一系列飛行器途徑的航跡點(diǎn)。

2.2.4 優(yōu)化算法

直接連接算法生成的航跡點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生粗糙的路徑，需要對(duì)路徑進(jìn)行平滑處理，這里使用了貝塞爾插值算法，利用了三次貝塞爾函數(shù)對(duì)航跡點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，從而生成平滑的路徑。

2.2.5 可視化動(dòng)態(tài)展示

ROS集成了3D的可視化演示工具RVIZ，可以接受ROS的消息并將其顯示在RVIZ提供的三維空間中。

2.3 翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)仿真開放性實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與一般翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式基本一致，都經(jīng)歷課前學(xué)習(xí)資料準(zhǔn)備、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、課堂實(shí)驗(yàn)活動(dòng)、反饋與評(píng)價(jià)四個(gè)階段。由于開放性實(shí)驗(yàn)是一門綜合性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程，因此注重實(shí)踐操作和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教師只提供一些基本的方法和操作手冊(cè)，需要學(xué)生根據(jù)積累的知識(shí)、調(diào)研的能力和動(dòng)手開發(fā)的水平來(lái)決定最終提交的作品達(dá)到什么水平?；赗OS的仿真環(huán)境提供了虛擬實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合已有的翻轉(zhuǎn)課堂以及ROS的仿真環(huán)境等實(shí)踐操作，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，具體如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)仿真開放性實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)

教師首先根據(jù)教學(xué)需要，制作操作學(xué)習(xí)資源包，在課前發(fā)放給學(xué)生，其中無(wú)人機(jī)系統(tǒng)資源包中有無(wú)人機(jī)的框架、環(huán)境建模方法、航跡規(guī)劃方法和可視化編程設(shè)計(jì)的demo等輔助學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在課外時(shí)間自主安排學(xué)習(xí)時(shí)間和流程進(jìn)度，組成團(tuán)隊(duì)協(xié)作分配任務(wù)調(diào)研，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，并與教師和同學(xué)進(jìn)行必要的交流和問(wèn)題討論。在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師對(duì)課堂活動(dòng)安排進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明之后，學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師觀察學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)情況、評(píng)估模型的可行性、優(yōu)化方法的效率和編程設(shè)計(jì)的調(diào)試等工作，并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行調(diào)查，一方面評(píng)估學(xué)生在開放性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完成的效果；另一方面反饋翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的問(wèn)題以便下次改正，從而不斷調(diào)整翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的實(shí)施方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ROS的無(wú)人機(jī)仿真開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案和相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了傳感器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)學(xué)建模、無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、航跡規(guī)劃方法、優(yōu)化計(jì)算和可視化編程等關(guān)鍵技術(shù)，是對(duì)信息和計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種嘗試與探索。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的結(jié)合，學(xué)生能夠充分發(fā)揮自主創(chuàng)新，利用已學(xué)的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的研究和實(shí)踐中，同時(shí)，學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力得到激發(fā)。

在最近三年的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生基于該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案和教學(xué)模式，展開了課內(nèi)學(xué)習(xí)并積極投身于課外科技競(jìng)賽和實(shí)踐創(chuàng)新應(yīng)用中，組建航模>隊(duì)，積極參加無(wú)人機(jī)的各種國(guó)內(nèi)大小賽事，獲得了機(jī)器人競(jìng)賽、無(wú)人機(jī)飛行表演等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，除了在課堂教學(xué)取得滿意效果，在課外科技競(jìng)賽和實(shí)踐創(chuàng)新應(yīng)用中也取得喜人成績(jī)。

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