王佳豪，郭云斌，李家貳，馬心逸，麥麥提力·沙吾爾，熱合多啦·阿庫西

（新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830000）

現(xiàn)如今，在中國科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，相關(guān)學(xué)者對飛行器中的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。但在對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行改良時，發(fā)現(xiàn)其會受到飛行環(huán)境的影響，這些不確定因素會對飛行器控制的信號接收等帶來較大的影響。因此，需要加強(qiáng)對ROS（Robot Operating System）系統(tǒng)的科學(xué)應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。

1 多旋翼無人機(jī)的概述

在日常的生活中，大部分人會將無人飛行載具稱為無人飛機(jī)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是利用無線電智能遙控設(shè)備，或者是其自身在運(yùn)行中所自帶的控制裝置，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的操控。多旋翼飛行器就是其中的主要內(nèi)容之一，這種設(shè)備的主體部分有機(jī)架和云臺，控制系統(tǒng)一般為遙控接收器和遙控等，是保證多旋翼自主飛行的核心。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員可以通過PⅠD、模糊、非線性和網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對多旋翼飛行情況的控制[1]。

目前，在對此系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)其正向著荷載和自主飛行等方向發(fā)展。特別是ROS 系統(tǒng)在多旋翼自主飛行控制中的應(yīng)用，能夠讓其在具體的飛行中進(jìn)行自主性導(dǎo)航，完成智能飛行。

2 多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展

新時期，為了更好地解決無人機(jī)在實(shí)際作業(yè)中的問題，相關(guān)學(xué)者對空間位置定位精度不足及飛行參數(shù)不穩(wěn)定等因素進(jìn)行了分析，采取措施實(shí)現(xiàn)了對其中控制系統(tǒng)的改進(jìn)。在一定程度上減少了霧滴分布不均勻等問題，可以將多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)作為平臺，在ROS及MAVROS 系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)對計算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建，促進(jìn)其與開源飛行控制器之間的有效結(jié)合，在此基礎(chǔ)上組成二級控制系統(tǒng)。部分學(xué)者在多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，還結(jié)合RTK-GPS 的絕對位置等內(nèi)容，加強(qiáng)了對激光雷達(dá)探測方法的有效應(yīng)用，主要融合了外部傳感器。然后通過對其中數(shù)據(jù)的分析，及時修正無人機(jī)在運(yùn)行中的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上不斷提高無人機(jī)飛行的效果，保證其在具體飛行中的穩(wěn)定性。要想進(jìn)一步強(qiáng)化多旋翼無人機(jī)的自主性能，還要在ROS系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，如可以開發(fā)出飛行任務(wù)管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機(jī)的精準(zhǔn)定位，明確自主任務(wù)的飛行情況。

早在2005 年，中國就已經(jīng)制作出了性能非常穩(wěn)定的多旋翼無人機(jī)，對其中的自動控制飛行器也進(jìn)行了完善。在對飛行器進(jìn)行評價和分析時，可以從安全性、靈活性和擴(kuò)展性等內(nèi)容出發(fā)。相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，如果在ROS 系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的優(yōu)化，不僅能夠保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還具有成本低和靈活控制等特點(diǎn)。但是，由于無人機(jī)本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對控制精度的相關(guān)要求也比較高。因此，在具體的飛防作業(yè)時一般還是以手動操作為主，這會導(dǎo)致環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)變化，影響無人機(jī)的穩(wěn)定飛行。因此，還是需要在ROS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計，減少其他因素對無人機(jī)穩(wěn)定飛行的影響。

3 ROS 系統(tǒng)的多旋翼自主飛行無人機(jī)

3.1 多旋翼無人機(jī)

現(xiàn)如今，多旋翼無人機(jī)在中國各個領(lǐng)域已經(jīng)得到了有效應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者可以通過對螺旋槳微調(diào)推力的分析，采取措施保證其一直處于穩(wěn)定飛行的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對飛行情況的有效控制。如果將多旋翼無人機(jī)與固定翼飛機(jī)進(jìn)行比較，能夠明顯看出，多旋翼無人機(jī)在任務(wù)飛行等方面，具有非常大的優(yōu)勢，能夠在完成基本任務(wù)的基礎(chǔ)上，保持飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，避免消耗大量的能量缺陷。同時，其還能夠產(chǎn)生比較穩(wěn)定的載荷，降低整體的維護(hù)成本。

這種無人機(jī)主要是與地面工作站進(jìn)行通信，通過設(shè)備之間的數(shù)據(jù)鏈，進(jìn)而達(dá)到非常好的通信中介效果。以前的無人機(jī)，在對地空信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接時，其只是點(diǎn)對點(diǎn)的通信，所收到的信號傳輸距離會受到其他因素的影響，并且嚴(yán)重情況下其性能的發(fā)揮也會受到影響[2]。

因此，只能對比較簡單的遙控數(shù)據(jù)信號進(jìn)行傳輸。但是，無人多旋翼任務(wù)系統(tǒng)在具體飛行中的有效應(yīng)用，不僅能夠讓控制核心和地面數(shù)據(jù)鏈等內(nèi)容更加完善，還能夠在ARM（Advanced RⅠSC Machines）平臺中，不斷改善以往的低空信息傳輸效果，及時發(fā)現(xiàn)其中所存在的問題，保證數(shù)據(jù)信息通信之間的有效性，進(jìn)而在根本上及時解決無人機(jī)與地面工作站之間的數(shù)據(jù)通信問題。同時，如果在ROS 系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的完善，還能夠?qū)崿F(xiàn)對電流、功率和壓力等模擬量的準(zhǔn)確測量，對具體的飛行情況進(jìn)行監(jiān)視，從而為無人機(jī)的安全飛行提供保障。

3.2 傳統(tǒng)的無人機(jī)

為了在多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中更好地發(fā)揮ROS 系統(tǒng)自身的功能作用，需要對傳統(tǒng)的無人機(jī)飛行特點(diǎn)進(jìn)行分析。以前的無人機(jī)設(shè)備在飛行時一般需要通過人工實(shí)現(xiàn)對遙控器的操作，在此基礎(chǔ)上控制飛行姿態(tài)，其中的自動程序并不完善，功能也比較單調(diào)。然而，在其中融入ROS 系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對飛行任務(wù)的科學(xué)規(guī)劃，還能夠保證其中軟件配套的科學(xué)性，更好地改善以往功能單一等缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加此設(shè)備的功能性。

在對飛行任務(wù)規(guī)劃軟件進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)其具備GoogleMap 的APⅠ接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機(jī)飛行航線的控制和分析，然后在三維地圖上對其進(jìn)行簡易的規(guī)劃，進(jìn)而更加高效地完成執(zhí)行飛行等任務(wù)。

4 基于ROS 系統(tǒng)的多旋翼自主飛行控制解決方案

現(xiàn)階段，以前的無人機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足多旋翼微型無人機(jī)在飛行中的要求了，需要結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)，在ROS 系統(tǒng)上構(gòu)建開源飛行控制機(jī)制，完善無人機(jī)自主飛行控制的解決方案[3]。一般情況下，整個系統(tǒng)主要分為3 部分，即地面站、無人機(jī)系統(tǒng)及飛行員。地面站中存在便攜式計算機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的采集和整合；無人機(jī)系統(tǒng)主要包括多旋翼無人機(jī)平臺、無線電臺機(jī)載端和激光雷達(dá)等內(nèi)容，能夠保證飛行的安全性；飛行員具體的工作是在QGroundControl 控制軟件的基礎(chǔ)上，對無人機(jī)中的飛行參數(shù)進(jìn)行整合，明確其中的控制指令。在此過程中，飛行員們手中需要持有遙控器，及時控制無人機(jī)的運(yùn)行情況，避免其在自主飛行過程中出現(xiàn)其他的問題。

應(yīng)用無線路由器優(yōu)化局域網(wǎng)環(huán)境，不僅可以對協(xié)同計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，還能夠?qū)︼w行參數(shù)進(jìn)行整合，了解其在不同硬件的具體情況，然后通過UDP 協(xié)議對其進(jìn)行路由。當(dāng)RTK-GPS 系統(tǒng)的硬件完成架設(shè)后，需要應(yīng)用地面站的Swift Console 軟件，實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)站位置的準(zhǔn)確判斷，對其海拔信息等進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，然后通過UDP 路由到ⅠP 地址127.0.0.1，在此基礎(chǔ)上對位置信息進(jìn)行更加準(zhǔn)確的采集，明確其中的差分，將修正值科學(xué)“注入”到MAVLink 通信數(shù)據(jù)流中，從而實(shí)現(xiàn)對飛行參數(shù)的準(zhǔn)確計算。

此外，在對RFD900+型無線電臺進(jìn)行設(shè)置時，需要建立地面站，加強(qiáng)其與飛行控制器之間的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對雙向數(shù)據(jù)的傳輸。同時，操作人員需要將其中的工作頻率范圍控制在902～928 MHz，主要是為了避免在具體的飛行中出現(xiàn)其他問題。

5 技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 地空信息數(shù)據(jù)的通信

在ROS 系統(tǒng)中，存在非常先進(jìn)的智能裝備和數(shù)據(jù)鏈，所以其在多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠強(qiáng)化自動化性能。同時，加強(qiáng)其與協(xié)議MAVLink 的有效結(jié)合，還可以對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性整合，然后將全面的信息歸納到數(shù)據(jù)鏈路中，實(shí)現(xiàn)五遙操作。因此，實(shí)現(xiàn)對地空信息數(shù)據(jù)的整合和通信創(chuàng)新，能夠大大降低多種通信制式問題，不斷提高通信效率，從而進(jìn)一步發(fā)揮ROS 系統(tǒng)在多旋翼自主飛行控制中的通訊功能。

5.2 處理飛行姿態(tài)操控問題

一般情況下，操作人員會將嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用在ARM 處理器平臺上，然后將陀螺儀等傳感器加入到其中，主要是為了進(jìn)一步強(qiáng)化多旋翼自主飛行的控制效果。同時，及時解決飛行姿態(tài)控制問題，還能夠在實(shí)現(xiàn)無人操作飛行的基礎(chǔ)上，大大降低能耗，不斷增加對能量的利用[4]。

此外，還可以在工業(yè)控制領(lǐng)域，創(chuàng)新控制系統(tǒng)的研究思路，在對型號相同的多旋翼飛行器進(jìn)行設(shè)計時，可以設(shè)置一樣的數(shù)據(jù)和機(jī)械接口，保證任務(wù)載荷的有效性，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對載荷的快速更換，讓飛行任務(wù)之間可以更加穩(wěn)定的切換和銜接，進(jìn)而減少多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的成本。

5.3 強(qiáng)化地面工作站功能

在對地面工作站的性能進(jìn)行強(qiáng)化時，需要從C/S架構(gòu)和三維GoogleMap 等角度出發(fā)，對地面的任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整合和分析，積極發(fā)揮地面工作站在多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)運(yùn)行中的功能作用。此外，還要不斷強(qiáng)化地面工作站自動化和智能化的程度，為用戶們提供更加便利的操作。

5.4 開源飛控ArduPilot 的應(yīng)用

要想保證ROS 系統(tǒng)在多旋翼自主飛行中應(yīng)用的有效性，不僅要完善控制系統(tǒng)，還要在ArduPilot 開源飛行控制的基礎(chǔ)上明確其程序功能。此系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)Pixhawk 板載與外設(shè)傳感器驅(qū)動等，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的濾波，并且其還能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機(jī)位置和姿態(tài)的有效控制。無人機(jī)位置和姿態(tài)控制屬于ArduPilot 控制的核心內(nèi)容，并且姿態(tài)的控制還是實(shí)現(xiàn)位置控制的關(guān)鍵措施[5]。

因此，相關(guān)操作人員需要嚴(yán)格控制位置輸入量，避免在目標(biāo)位置和當(dāng)前位置中出現(xiàn)偏差，結(jié)合設(shè)定的飛行速度，實(shí)現(xiàn)對PⅠD 的有效控制。一般情況下，在對姿態(tài)控制的內(nèi)容進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)其主要是以目標(biāo)為俯仰角，這與真實(shí)角度之間存在一定的偏差。所以在對所需目標(biāo)的角速度等進(jìn)行計算時，不僅要對實(shí)際角速度的偏差進(jìn)行分析，還要通過PⅠD，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，保障無人機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行的姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對飛行位置的準(zhǔn)確判斷。

5.5 任務(wù)管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

當(dāng)前，在對多旋翼自主飛行控制方式進(jìn)行分析時，主要有2 種控制方法，具體如下。

修改ArduPilot 源代碼，適當(dāng)添加自定義的飛行任務(wù)和控制程序。這種方式并不需要引入ROS 或協(xié)同計算機(jī)，整體的操作流程和系統(tǒng)復(fù)雜程度較低。但是，這種方式存在一定的局限性，會大大降低飛行控制系統(tǒng)在運(yùn)行中的穩(wěn)定性。同時，當(dāng)飛行任務(wù)發(fā)生變化后，其中的控制程序都要進(jìn)行重新修改和燒錄，這并不利于對控制系統(tǒng)的擴(kuò)展。

應(yīng)用運(yùn)行ROS 的協(xié)同計算機(jī)，將其作為主控制器，ArduPilot 是其中的子控制器。前者在運(yùn)行中的任務(wù)是負(fù)責(zé)執(zhí)行比較高層次的控制程序，可以結(jié)合自身的需求，擴(kuò)展傳感器，從而為無人機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和飛行控制等提供決策條件。此外，子系統(tǒng)屬于一種比較獨(dú)立的飛行控制器，只需要執(zhí)行主系統(tǒng)的決策結(jié)果，并不用跟隨系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，也不用進(jìn)行多次修改，這種方式能夠不斷提高整個系統(tǒng)的靈活性，從而為多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件[6]。

5.6 項目內(nèi)容的創(chuàng)新性

如果在地面站和多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)中都植入數(shù)據(jù)鏈MAVLink，會發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)功能得到了改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)對五遙的統(tǒng)一。部分學(xué)者加強(qiáng)了卡爾曼濾波和四元數(shù)算法在其中的有效應(yīng)用，并且在此基礎(chǔ)上還加上了嵌入式ARM 平臺，主要是為了實(shí)現(xiàn)對飛行姿態(tài)的自動化控制。此外，一些學(xué)者從同一載具加多種載荷的角度出發(fā)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)執(zhí)行模式之間的轉(zhuǎn)換。在此過程中，還適當(dāng)引入了地面任務(wù)規(guī)劃軟件和數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，這不僅在一定程度上強(qiáng)化了系統(tǒng)控制功能，還保障了系統(tǒng)的智能化。

5.7 定位和軌跡控制

利用單目視覺傳感器，可以更加準(zhǔn)確地獲取位置信息，然后在此基礎(chǔ)上采用稀疏地圖構(gòu)建估計算方法，實(shí)現(xiàn)對坐標(biāo)傳輸信息等內(nèi)容的有效分析，加強(qiáng)對局部數(shù)據(jù)流的有效控制。同時，應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)，還可以進(jìn)行對點(diǎn)的構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵詞和信息整合等速度的優(yōu)化，更加快速地還原局部三維地圖。由于這種方式具有運(yùn)算精簡及結(jié)果精確度高等優(yōu)勢，所以其能夠在滿足飛行要素的同時，對其軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確定位。此外，還需要注意對通信節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接口的設(shè)計。主要因?yàn)橥ㄐ殴?jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接口是保障地面主控計算機(jī)與機(jī)載飛行控制傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，更是其中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化接口。再加上通信數(shù)據(jù)作為獲取飛行狀態(tài)的關(guān)鍵，直接影響著飛行軌跡。因此，在對通信節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計時，需要結(jié)合不同類型的編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。

5.8 硬件設(shè)計

為了強(qiáng)化多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的性能，在機(jī)器操作的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了比較完整的軟硬件定位控制系統(tǒng)，主要是借助其在多旋翼無人中的自主飛行控制，完成視覺導(dǎo)航。同時，實(shí)現(xiàn)對其中硬件的設(shè)計，還能夠改善原有的GPS 導(dǎo)航環(huán)境，避免信號丟失等情況的發(fā)生，將其轉(zhuǎn)為單目視覺定位的模擬地圖，在此基礎(chǔ)上保證多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高能低耗的效果。

部分學(xué)者在對當(dāng)前的多旋翼飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)其具有通信節(jié)點(diǎn)通暢和數(shù)據(jù)交互迅速等特點(diǎn)，并且其安全性和適應(yīng)性也較強(qiáng)，可以在比較復(fù)雜的環(huán)境下，完成無人機(jī)偵察及自主飛行等任務(wù)。同時，此系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的有效處理。技術(shù)人員在對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行完善分析后，可以結(jié)合具體的結(jié)果，制定完善的飛行路線，保證其可行性，實(shí)現(xiàn)對位置的準(zhǔn)確控制，從而為多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件。

6 結(jié)束語

在中國飛行事業(yè)不斷發(fā)展的背景下，為了進(jìn)一步保障無人機(jī)在飛行中的穩(wěn)定性，在ROS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過對項目內(nèi)容的創(chuàng)新和任務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計，強(qiáng)化了控制系統(tǒng)的自主性，實(shí)現(xiàn)了對飛行過程的智能化控制，進(jìn)一步促進(jìn)了對多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的升級和改造。