賀馳原，鄒鵑竹，劉 航

（重慶大學(xué) 微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400044）

1 概述

1.1 研究背景

“無(wú)人機(jī)”（“UAV”），是利用無(wú)線電遙控設(shè)備或自主程序控制裝置操縱的不載人飛行器。近年來(lái)無(wú)人機(jī)已經(jīng)慢慢從軍用走進(jìn)民用、商用。據(jù)了解，一些大型貨倉(cāng)存在著貨架高且數(shù)量大，貨物難以統(tǒng)計(jì)且高空作業(yè)難度大等問題，而人力統(tǒng)計(jì)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，且精確度不足。如果能夠在保證安全的前提下消耗更少的人力且同時(shí)兼具數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確程度，將會(huì)對(duì)倉(cāng)庫(kù)貨物的管理帶來(lái)極大的便利。而小型四旋翼無(wú)人機(jī)具備成本低、飛行靈活度高、飛行姿態(tài)多樣且能搭載攝像裝置的特性，倘若再配合能夠處理貨物圖像的技術(shù)并實(shí)現(xiàn)智能統(tǒng)計(jì)功能，將會(huì)大大改善倉(cāng)庫(kù)貨物調(diào)配以及管理。

基于無(wú)人機(jī)的發(fā)展背景以及倉(cāng)庫(kù)環(huán)境考察和貨物管理方面的需求，以及之前研究為我們儲(chǔ)備的無(wú)人機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)和圖像處理技術(shù)，我們決定開展大型倉(cāng)庫(kù)無(wú)人機(jī)巡視系統(tǒng)項(xiàng)目的研究。

1.2 研究意義

通過前期無(wú)人機(jī)研究所掌握的基礎(chǔ)技術(shù)，對(duì)飛控、自動(dòng)避障、圖像識(shí)別、自動(dòng)巡航等技術(shù)的深入研究，完成大型倉(cāng)庫(kù)基于無(wú)人機(jī)的巡視、管理、統(tǒng)計(jì)功能，大大節(jié)約人力，控制風(fēng)險(xiǎn)及成本。在完成以上功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究無(wú)人機(jī)在室內(nèi)應(yīng)對(duì)不同的光線、不同的線路、不同貨物種類統(tǒng)計(jì)的方案，以便于進(jìn)行高效的倉(cāng)庫(kù)管理。

2 無(wú)人機(jī)調(diào)試

2.1 Pixhawk 飛控平臺(tái)

Pixhawk 是一個(gè)開源的、旨在提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可用的、高質(zhì)量的、低成本的飛行控制器的設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文中使用的飛控為Pixhawk2，采用stm32f407 作為主控制器、stm32f103 作為協(xié)處理器，主控制器具有168MHz 主頻，以及較大的內(nèi)存。其包含三套冗余的傳感器組（陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)），可以保證其中一套傳感器組發(fā)生故障時(shí)不影響整體運(yùn)行。

本課題中，通過搭建無(wú)人機(jī)與Pixhawk 飛控與無(wú)人機(jī)的組裝，完成了無(wú)人機(jī)的硬件安裝，經(jīng)過2.2 小節(jié)中的程序下載之后便可開始進(jìn)行調(diào)試。

2.2 PX4

PX4 是一款開源的無(wú)人機(jī)軟件。該軟件支持包括Pixhawk 在內(nèi)的無(wú)人機(jī)飛控并支持不同類型的無(wú)人機(jī)。PX4 軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nuttx，在Nuttx 之上運(yùn)行有無(wú)人機(jī)飛行控制所需的各種應(yīng)用程序，主要有：傳感器校正、傳感器數(shù)據(jù)獲取、姿態(tài)估計(jì)、飛行控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出。通過修改飛行控制以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出應(yīng)用程序即可使軟件兼容不同的無(wú)人機(jī)類型。由于其支持在線仿真，通過在Gazebo 等軟件中模擬一架無(wú)人機(jī)并發(fā)布傳感器信息，可以在PC 機(jī)中對(duì)PX4 軟件效果進(jìn)行在線仿真，搭配地面站軟件QGC，可以模擬一切實(shí)際無(wú)人機(jī)操作。

本課題通過編譯PX4 軟件，完成了Pixhawk 飛控固件編譯以及基于Gazebo 引擎的仿真無(wú)人機(jī)編譯，為后續(xù)聯(lián)合ROS 操作系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真提供了基礎(chǔ)。

2.3 MAVLink

MAVLink 是一種為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，通過將數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝，可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)多控制端的可靠通信。

通過使用MAVLink 協(xié)議，無(wú)人機(jī)和地面站、機(jī)載計(jì)算器之間可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的通信。課題中使用QGC 地面站軟件通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)以MAVLink 協(xié)議的方式進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了地面站與飛控之間的通信。

2.4 無(wú)人機(jī)調(diào)試

PX4 光流

光流算法是一種基于照度不變假設(shè)的圖形算法。假設(shè)原圖像為

而經(jīng)過短暫時(shí)間后的新圖像為

由于照度不變假設(shè)得到以下等式

將上式右邊進(jìn)行泰勒展開得到

整理上式可得

使用光流模塊，可以獲得無(wú)人機(jī)在水平方向上的速度，在室內(nèi)GPS 信號(hào)不理想的情況下為無(wú)人機(jī)的飛行控制提供負(fù)反饋，從而使室內(nèi)弱GPS 信號(hào)環(huán)境下無(wú)人機(jī)定點(diǎn)飛行成為可能。

在完成上述準(zhǔn)備操作后，本課題進(jìn)行了無(wú)人機(jī)的調(diào)試，通過搭載光流與聲納，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的定高與定點(diǎn)飛行，使后續(xù)自動(dòng)巡航成為可能。

3 ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)

ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)是一個(gè)開發(fā)機(jī)器人程序的一個(gè)靈活的框架，旨在簡(jiǎn)化創(chuàng)建一個(gè)在廣泛機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行復(fù)雜健壯機(jī)器人行為的任務(wù)的工具、庫(kù)以及協(xié)議的集合。

通過ROS 社區(qū)發(fā)布的包以及工具，可以輕松的實(shí)現(xiàn)常用機(jī)器人操作。本次課題首先在Ubuntu 操作系統(tǒng)上搭建了ROS 環(huán)境，進(jìn)行了仿真，然后在樹莓派平臺(tái)上部署ROS 環(huán)境以與飛控進(jìn)行通信。

ROS 框架的使用

ROS 基本框架是有節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)之間的通信通過TCP 協(xié)議來(lái)進(jìn)行；話題和服務(wù)則是節(jié)點(diǎn)通信的主要手段，采用不同的通信協(xié)議來(lái)完成。

通信單位主要由RVIZ、TF 和MAVROS 包構(gòu)成。

本課題中部署了ROS 操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通過MAVROS 包發(fā)布包含無(wú)人機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)如位置姿態(tài)、目標(biāo)位置與電量等的話題，并提供如無(wú)人機(jī)安全開關(guān)解鎖、飛行模式切換、起飛等服務(wù)。通過自定義的節(jié)點(diǎn)向MAVROS 包請(qǐng)求解鎖與起飛服務(wù)使仿真無(wú)人機(jī)得以起飛，通過向MAVROS 包請(qǐng)求切換飛行模式服務(wù)切換至機(jī)載飛行模式，即使用機(jī)載計(jì)算機(jī)通過向MAVROS 包發(fā)布目標(biāo)位置話題控制無(wú)人機(jī)飛行，聯(lián)調(diào)中通過使用機(jī)載模式發(fā)布半徑為1 米的圓的坐標(biāo)作為目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)了在仿真環(huán)境中繞圓周飛行。

4 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭建

圖1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖1 為大型倉(cāng)庫(kù)無(wú)人機(jī)巡視系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，可以看到整個(gè)系統(tǒng)大致由四個(gè)部分組成：樹莓派、Pixhawk飛控、攝像頭、激光雷達(dá)。其中Pixhawk 飛控與光流傳感器已在第二章中進(jìn)行過說(shuō)明，此處不再贅述。無(wú)人機(jī)飛控平臺(tái)與樹莓派通過串口進(jìn)行連接，采用MAVLink 通信協(xié)議與樹莓派中運(yùn)行MAVROS 包進(jìn)行通信；樹莓派通過opencv-python 庫(kù)驅(qū)動(dòng)攝像頭獲取圖像信息；樹莓派通過激光雷達(dá)ROS 中的PRLidar 包驅(qū)動(dòng)激光雷達(dá)并獲得測(cè)距信息；由于ROS 具有分布式的特點(diǎn)，因此運(yùn)行有ROS 系統(tǒng)的PC 可以通過與運(yùn)行有ROS 系統(tǒng)的樹莓派組成一個(gè)分布式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)PC 與樹莓派通過局域網(wǎng)進(jìn)行通信。

4.1 樹莓派的作用

本系統(tǒng)使用樹莓派4B 作為主控制器，將其運(yùn)行基于Debian 的Raspbian 系統(tǒng)，擁有大量軟件庫(kù)，可以運(yùn)行ROS 操作系統(tǒng)以及其他各種功能包。通過2.2 小節(jié)中描述的MAVROS 包與飛控進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)Pixhawk 飛控的控制。同時(shí)，樹莓派上搭載有攝像頭、激光雷達(dá)等模塊，可以完成圖像獲取、無(wú)人機(jī)定位與建圖等操作，是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的核心。

4.2 攝像頭傳感器

本系統(tǒng)使用索尼IMX219 圖像傳感器，具有800 萬(wàn)像素以及 1080p30 幀、720p60 幀、vga90 幀的攝像能力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，該攝像頭可以識(shí)別并解碼出2-3 米范圍內(nèi)的二維碼，具有足夠的分辨率與幀率滿足本系統(tǒng)圖像獲取的要求。

通過opencv 庫(kù)，調(diào)用攝像頭進(jìn)行攝像以及圖像處理工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與判斷，通過庫(kù)內(nèi)置的算法，對(duì)圖像進(jìn)行縮放一加快運(yùn)算速度，并實(shí)現(xiàn)了二維碼解碼算法。通過導(dǎo)入ROS 包，將解碼獲得的數(shù)據(jù)與圖像以話題的方式進(jìn)行發(fā)布，方便后續(xù)其他節(jié)點(diǎn)以及PC 端獲取信息。

4.3 激光雷達(dá)

本系統(tǒng)采用思嵐科技的RPLidar A1 激光雷達(dá)作為機(jī)載定位與建圖數(shù)據(jù)來(lái)源，具有12 米的測(cè)量半徑以及8000 次每秒的掃描頻率，使用串口通信。通過串口轉(zhuǎn)ttl工具連接至樹莓派后即可通過串口設(shè)備文件對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。思嵐科技提供了ROS 驅(qū)動(dòng)包，可以通過該驅(qū)動(dòng)包實(shí)現(xiàn)在ROS 系統(tǒng)中獲取并發(fā)布激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合SLAM 技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)人機(jī)定位與建圖。

通過hectorslam 包獲得的地圖與定位信息。紅色箭頭代表無(wú)人機(jī)的位置與姿態(tài)，箭頭尾部為無(wú)人機(jī)所在位置，箭頭朝向代表無(wú)人機(jī)的朝向。使用灰度圖來(lái)表示圖像并以像素的深淺表示該像素所代表的位置出現(xiàn)障礙物的可能，顏色越淺該位置出現(xiàn)障礙的可能性越小。淺灰色部分代表存在障礙的可能新很小可以通行的區(qū)域，而深灰色表示可能存在障礙物的未知區(qū)域而黑色部分表示很可能存在障礙的不可通行區(qū)域。

5 巡航系統(tǒng)搭建

巡航系統(tǒng)的搭建主要分為兩大部分：倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的搭建以及巡航算法的實(shí)現(xiàn)。通過在實(shí)驗(yàn)室中搭建模擬大型倉(cāng)庫(kù)環(huán)境中的貨架，并在貨物上附上相應(yīng)二維碼的方法來(lái)測(cè)試貨物識(shí)別以及無(wú)人機(jī)巡航飛行的功能。

5.1 倉(cāng)庫(kù)環(huán)境搭建

由于無(wú)人機(jī)搭載有攝像頭與激光雷達(dá)可以進(jìn)行圖像獲取與建圖操作，因此采用二維碼作為巡航控制標(biāo)志，通過編碼有不同信息的二維碼完成巡航操作。不同貨架之間通過編碼有類似“1-1”貨架號(hào)信息的二維碼來(lái)區(qū)分，其中“-”號(hào)前的數(shù)字代表貨架層數(shù)，“-”號(hào)后的數(shù)字代表貨架編號(hào)，同一貨架不同層之間使用編碼有類似“1-1-1”貨架層號(hào)信息的二維碼來(lái)區(qū)分，其中，最后一位數(shù)字為貨架層號(hào)，前兩位為貨架號(hào)。貨物通過編碼有類似“1-1——x”信息的二維碼來(lái)區(qū)分。其中“——”號(hào)前的為貨架號(hào)，表示該貨物位于幾號(hào)貨架，“——”號(hào)后為貨物號(hào)，用來(lái)表明貨物類別。貨架之間按一定間距進(jìn)行擺放從而在無(wú)人機(jī)識(shí)別與定位一個(gè)貨架之后可以獲取所有貨架的位置信息。

5.2 巡航算法

5.2.1 改進(jìn)的A*尋路算法

A*算法是一種經(jīng)典的、啟發(fā)性的最短路徑算法。其主要思想為從起點(diǎn)開始以“距離”遠(yuǎn)近為優(yōu)先級(jí)遍歷周圍所有點(diǎn)尋找一條最短的通往終點(diǎn)的路徑，除了起點(diǎn)以外每一個(gè)點(diǎn)均有一條指向起點(diǎn)的最短路徑，當(dāng)該點(diǎn)出現(xiàn)一條更短的指向起點(diǎn)的路徑時(shí)更新路徑，當(dāng)終點(diǎn)也存在指向起點(diǎn)的路徑時(shí)，這條路徑便為起點(diǎn)到終點(diǎn)的最短路徑。該算法以“距離”作為選取點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，通過修改“距離”的定義，可以實(shí)現(xiàn)不同的尋路效果。傳統(tǒng)的A*算法采用曼哈頓距離，而本課題改進(jìn)了傳統(tǒng)A*算法中使用的距離定義，使用歐拉距離。

比較可以看出，傳統(tǒng)A*算法傾向于走直線，而改進(jìn)后的A*算法傾向于走近似的斜線。由于現(xiàn)實(shí)中的路徑是連續(xù)的，因此不會(huì)出現(xiàn)彎曲路徑而會(huì)呈現(xiàn)出一條斜線。改進(jìn)后的A*算法較傳統(tǒng)A*算法在無(wú)人機(jī)最短路徑規(guī)劃上更有優(yōu)勢(shì)。

5.2.2 尋找貨架階段

在靠近貨架從而識(shí)別到貨架二維碼之前為尋找貨架階段。在該階段，無(wú)人機(jī)根據(jù)激光雷達(dá)建立的地圖信息尋找貨架二維碼，當(dāng)識(shí)別到貨架二維碼時(shí)，根據(jù)無(wú)人機(jī)姿態(tài)以及地圖信息確定該貨架的位置，并根據(jù)該位置以及貨架的編號(hào)確定其他貨架的位置，并根據(jù)尋路算法靠近貨架至一定距離。

5.2.3 貨架巡航階段

靠近貨架一定距離后進(jìn)入貨架巡航階段，靠近貨架后根據(jù)識(shí)別的貨架層號(hào)以及該貨架貨架號(hào)中顯示的層數(shù)進(jìn)行路線規(guī)劃，遍歷該貨架所有層并一一識(shí)別貨架上貨物上標(biāo)有的二維碼進(jìn)行貨物統(tǒng)計(jì)。