中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所裝備事業(yè)部 姚光樂(lè) 王守雷

針對(duì)在GPS信號(hào)缺失的室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無(wú)人機(jī)的定位和自主飛行問(wèn)題，構(gòu)建了一個(gè)基于激光雷達(dá)和超聲波傳感器的四旋翼無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)?；跈C(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）構(gòu)建了通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并選用英偉達(dá)TX2運(yùn)行該系統(tǒng)，采用pixhawk飛行控制板運(yùn)行核心控制部分。測(cè)試結(jié)果表明，搭建的無(wú)人機(jī)能實(shí)現(xiàn)較精確的自主懸停。

近年來(lái)，旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，其按照旋翼的個(gè)數(shù)可分為三旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼，其中使用頻率最高、應(yīng)用最廣泛、最為常見(jiàn)的是四旋翼無(wú)人機(jī)，同時(shí)它是世界無(wú)人機(jī)發(fā)展的主要方向。

隨著競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，提高飛控的開(kāi)發(fā)速度，降低飛控的開(kāi)發(fā)成本成為無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的迫切需求，從而使得開(kāi)源飛行控制器備 受行業(yè)相關(guān)者的關(guān)注。目前，針對(duì)多旋翼低空下的高度測(cè)量，市面上開(kāi)源飛控普遍采用氣壓計(jì)定高的方式，而位置的獲取方式普遍采用GPS。低成本氣壓計(jì)內(nèi)部噪聲會(huì)有影響，還會(huì)受到速度、溫度、濕度的影響，而只能在室外有GPS環(huán)境實(shí)現(xiàn)其位置的獲取，然而在室內(nèi)中GPS信號(hào)缺失，需要一個(gè)可靠的定位系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行定位和姿態(tài)估計(jì)。近年來(lái)為了解決在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)缺失情況下無(wú)人機(jī)自主飛行問(wèn)題，越來(lái)越多的研究人員將單目/雙目視覺(jué)、光流傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器引入無(wú)人機(jī)室內(nèi)自主導(dǎo)航研究領(lǐng)域。本文采用激光雷達(dá)和超聲波傳感器的方式，設(shè)計(jì)一種基于Pixhawk開(kāi)源飛控的室內(nèi)飛行系統(tǒng)，可根據(jù)任務(wù)需求快速實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主飛行。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文搭建的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括：英偉達(dá)TX2機(jī)載電腦、pixhawk飛行控制板（PX4）、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、無(wú)刷電機(jī)和供電模塊。機(jī)載電腦實(shí)時(shí)處理激光雷達(dá)和超聲波傳感器采集的距離數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行位置估計(jì)，通過(guò)位置控制將加速度命令發(fā)送給pixhawk飛行控制板，另外，從pixhawk飛行控制板獲得無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)。pixhawk飛行控制板將加速度命令轉(zhuǎn)換為4個(gè)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制無(wú)人機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)定位和自主飛行，另外，pixhawk飛行控制板實(shí)時(shí)處理無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，將姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)載電腦。本文搭建的四旋翼無(wú)人機(jī)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖2 英偉達(dá)TX2

1.1 機(jī)載電腦

圖1 硬件架構(gòu)圖

無(wú)人機(jī)的主要飛行控制行為和航跡計(jì)算均是在機(jī)載電腦中完成的。基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的架構(gòu)，本文使用MAVROS第三方軟件包負(fù)責(zé)機(jī)載主控系統(tǒng)與傳感器的對(duì)接，以獲取通信數(shù)據(jù)，包括激光雷達(dá)、超聲波數(shù)據(jù)。信息回傳給控制節(jié)點(diǎn)后，在主控程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令。將激光雷達(dá)所測(cè)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ros下標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后供激光SLAM使用，并使用cartographer計(jì)算出位置信息，獲得無(wú)人機(jī)水平位置信息。將超聲波傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一階濾波，獲得無(wú)人機(jī)的高度信息。

圖3 pixhawk圖

機(jī)載電腦作為傳感器數(shù)據(jù)處理核心，承載著信息的交互和處理任務(wù)。而在系統(tǒng)的選擇與開(kāi)發(fā)中，還要充分考量到計(jì)算能力的情況，在滿足計(jì)算能力需求的同時(shí)保證無(wú)人機(jī)的輕量化?；诜N種考量，本文選擇了芯片處理能力、系統(tǒng)可擴(kuò)展性和輕量便攜性均較為出色的Jetson TX2作為上位機(jī)系統(tǒng)。英偉達(dá)TX2外形小巧、節(jié)能高效，如圖2所示，非常適合機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、智能攝像機(jī)和便攜醫(yī)療設(shè)備等邊緣設(shè)備。

1.2 pixhawk飛行控制板

圖4 思嵐A2雷達(dá)

圖5 US-100超聲波測(cè)距儀

pixhawk飛行控制板運(yùn)行飛行控制系統(tǒng)的核心控制部分，決定著無(wú)人機(jī)姿態(tài)和航跡的穩(wěn)定性，在控制飛行中起著決定性的作用。pixhawk飛行控制板如圖3所示。在實(shí)際的無(wú)人機(jī)組建過(guò)程中將機(jī)載電腦和Pixhawk飛控相連接，使數(shù)據(jù)主要通過(guò)飛控的UART進(jìn)行上機(jī)位的USB通信。Pixhawk可應(yīng)用于多種平臺(tái)，如多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼飛行器、小車(chē)、潛艇等。其優(yōu)勢(shì)在于它繼承了多線程的編程環(huán)境，模塊化的架構(gòu)，便于二次開(kāi)發(fā)及新功能的開(kāi)發(fā)，基于PX4的底層驅(qū)動(dòng)保障全周期處理。

1.3 定位傳感器

定位傳感器模塊由激光雷達(dá)測(cè)距儀和超聲波傳感器組成，激光雷達(dá)安裝于四旋翼無(wú)人機(jī)的頂端，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)距離周邊物體的距離，超聲波傳感器安裝于無(wú)人機(jī)底端，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)與地面的距離。激光雷達(dá)選擇思嵐A2雷達(dá)，如圖4所示，其為全360°2D平面掃描型雷達(dá)，掃描測(cè)量半徑為12m，可進(jìn)行每秒8000次的測(cè)距動(dòng)作，在一般室內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)定位功能。超聲波測(cè)距儀采用US-100，如圖5所示，該傳感器的探測(cè)范圍為2～450cm，精度為0.3cm±1%，從而可以對(duì)距離實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，達(dá)到室內(nèi)定位的精確度。并且，US-100帶有溫度補(bǔ)償功能，其測(cè)距精度不會(huì)因溫度而產(chǎn)生變化。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要完成系統(tǒng)間的通信，傳感器數(shù)據(jù)的采集，位置估計(jì)和位置控制的實(shí)現(xiàn)。基于ROS的架構(gòu)，機(jī)載電腦內(nèi)部節(jié)點(diǎn)采用MAVROS進(jìn)行信息的訂閱和發(fā)布，機(jī)載電腦與pixhawk飛行控制板的信息通訊采用MAVLINK通訊協(xié)議。MAVLINK通訊協(xié)議被廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)通信，其是一種為微形飛行器設(shè)計(jì)的非常輕巧的、只由頭文件構(gòu)成的信息編組庫(kù)。無(wú)人機(jī)的控制、狀態(tài)、位置等信息都可編譯為MAVLINK數(shù)據(jù)包，地面控制站與無(wú)人機(jī)間傳遞這些數(shù)據(jù)包。

圖6 軟件架構(gòu)圖

圖7 自主起飛階段和懸停階段的高度變化曲線

圖8 懸停水平位置曲線

本無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖6所示。MAVROS通訊節(jié)點(diǎn)為機(jī)載電腦內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間、機(jī)載電腦與Pixhawk飛行控制板之間的信息傳輸樞紐。MAVROS通訊節(jié)點(diǎn)發(fā)布無(wú)人機(jī)水平位置、垂直距離、無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由無(wú)人機(jī)位置控制節(jié)點(diǎn)訂閱，并發(fā)布加速度指令，經(jīng)MAVROS通訊節(jié)點(diǎn)傳遞到Pixhawk控制系統(tǒng)，繼而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行控制。無(wú)人機(jī)水平位置來(lái)自激光雷達(dá)采集的云數(shù)據(jù)，由激光SLAM節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云匹配與對(duì)比，計(jì)算出激光雷達(dá)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離，并將無(wú)人機(jī)水平位置發(fā)布到MAVROS通訊節(jié)點(diǎn)?；贛AVLINK通訊協(xié)議，Pixhawk控制系統(tǒng)將姿態(tài)數(shù)據(jù)傳遞給MAVROS通訊節(jié)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)獲得無(wú)人機(jī)加速度指令。

3 結(jié)果與分析

無(wú)人機(jī)位置控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)MAVROS獲取無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算出加速度指令，將加速度指令傳遞到Pixhawk系統(tǒng)，由姿態(tài)控制模塊是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主起飛和懸停功能。無(wú)人機(jī)飛行前，設(shè)定的懸停位置為x=0，y=0，z=0.5。其在自主起飛過(guò)程中的高度變化曲線如圖7所示，在穩(wěn)定懸停狀態(tài)下無(wú)人機(jī)的水平位置曲線如圖8所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在起飛階段，高度方向會(huì)產(chǎn)生0.5m的超調(diào)量；在懸停階段，高度方向的誤差范圍在±0.1m內(nèi)，其水平懸停位置能保持在±0.2m的范圍內(nèi)，達(dá)到了較好的懸停效果。

結(jié)論：本文提出了一種基于機(jī)載電腦和Pixhawk飛行控制板的四旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行設(shè)計(jì)方案。使用激光雷達(dá)和超聲波傳感器作為室內(nèi)定位傳感器，在英偉達(dá)TX2機(jī)載電腦上搭載ROS，采用Pixhawk控制系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)控制，基于MAVROS進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)位置控制。本文詳細(xì)闡述了四旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行方案，包括硬件及軟件設(shè)計(jì)方式，對(duì)于使用Pixhawk開(kāi)源飛行控制器的開(kāi)發(fā)者進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)具有很好的借鑒意義。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的四旋翼無(wú)人機(jī)具有室內(nèi)環(huán)境的定位能力，并實(shí)現(xiàn)了自主起飛、懸停功能，自主懸停的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)具有了一個(gè)較高的飛行精度，起飛階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示高度方向具有較大超調(diào)量，需要進(jìn)行起飛控制器的改良及研究。