郭云祺 張 瀅 趙 軍 熊秋實(shí) 母東洋

（1.沈陽航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

1 研究背景

“十四五”規(guī)劃中提到，要持續(xù)推動無人機(jī)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的創(chuàng)新。繼續(xù)推進(jìn)無人機(jī)試點(diǎn)的建設(shè)與運(yùn)行，針對實(shí)際運(yùn)行情況及現(xiàn)有的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，開展運(yùn)行理論、風(fēng)險(xiǎn)評估、技術(shù)驗(yàn)證等方面的研究，以適應(yīng)無人機(jī)特點(diǎn)的無人機(jī)安全管理與服務(wù)模式。圍繞無人機(jī)產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)，鼓勵建立一批創(chuàng)新平臺，支持圍繞整個無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的低空經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)，發(fā)揮創(chuàng)新集聚帶動作用，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)向價(jià)值鏈高端邁進(jìn)。在信息高度發(fā)達(dá)的今天，無人機(jī)已經(jīng)成為一個不可缺少的裝備，包括國防和經(jīng)濟(jì)。十九大報(bào)告提出“堅(jiān)持中國特色”的“軍民融合發(fā)展道路”，近幾年，隨著國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)一體化的不斷深入，我國的無人機(jī)產(chǎn)業(yè)取得了突破性進(jìn)展，已經(jīng)成為“軍民融合”的一個典型。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和飛行器技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicles,UAV）受到了眾多學(xué)者的深入研究。其具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，既可以開展農(nóng)藥噴灑、醫(yī)療救助、特殊地區(qū)的資源運(yùn)載等工作，也可以實(shí)現(xiàn)近地工作。目前，世界主要國家也在著力研發(fā)小型、微型無人機(jī)，不斷促使本國無人機(jī)朝著小型化、微型化方向發(fā)展。微小型無人機(jī)的軍事武裝需求日益明顯，其能夠在戰(zhàn)爭中發(fā)揮出的重要作用也受到人們的青睞。隨著嵌入式技術(shù)、微型傳感器技術(shù)的磅礴發(fā)展，世界各國目前正力圖研發(fā)遙控式、半自主式或自主式的單兵可攜帶的微型無人機(jī)，并將其作用于武裝隊(duì)伍中。

四旋翼無人機(jī)是一種具有諸多優(yōu)點(diǎn)的微小型無人機(jī)，其能夠垂直起降、自由懸停。其結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，穩(wěn)定性強(qiáng)、隱蔽性好，易于維護(hù)，適合多平臺、多空間使用，并且由于其飛行高度低，具有很強(qiáng)的機(jī)動性，可以對細(xì)小環(huán)節(jié)實(shí)施偵察，具有很強(qiáng)的執(zhí)行特種任務(wù)能力。據(jù)此，四旋翼無人機(jī)擁有著較高的工作效率和使用價(jià)值，為了使其能夠更加廣泛地應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的更多危險(xiǎn)復(fù)雜的工作環(huán)境，且可以實(shí)現(xiàn)開發(fā)和維護(hù)成本較低，基于無人機(jī)更加準(zhǔn)確的定位與導(dǎo)航的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于ROS 和圖優(yōu)化SLAM 的四旋翼無人機(jī)，能夠在軍民領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

2 無人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的多旋翼無人機(jī)包括Pixhawk 飛行器控制主板（PX4）、單目視覺傳感器、低功耗低重量機(jī)載主控計(jì)算機(jī)、電機(jī)和鋰電池。機(jī)身滿載的續(xù)航時間為30min，最大負(fù)載重量2.5kg。各部件及功能模塊可以協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建和實(shí)時導(dǎo)航定位，并將信息采集結(jié)果通過ROS 傳送回控制板作用，從而實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行軌跡與路線的精確控制。

機(jī)載計(jì)算機(jī)是四旋翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)定位、地圖構(gòu)建和飛行控制的核心器件。本文設(shè)計(jì)的機(jī)載計(jì)算機(jī)配備了Intel Core i7 45nm 原生四核處理器，能夠很好地滿足無人機(jī)導(dǎo)航定位、地圖構(gòu)建、障礙物檢測、路徑規(guī)劃等功能需求。另外，無人機(jī)的飛行控制面板作為自主指揮和飛行控制的樞紐，也發(fā)揮著重要的作用，它擁有陀螺儀、氣壓測試計(jì)、速度（加速度）測試計(jì)、溫度傳感器、風(fēng)速測向及磁強(qiáng)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)采集無人機(jī)飛行姿態(tài)的立體數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。此外，飛行控制面板通過多種數(shù)據(jù)傳輸接口物理連接外部傳感器，各種類型的無人機(jī)對于此型號均受用。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)通過連接Pixhawk飛行控制板的通信接口和微型主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口，橋接主控計(jì)算機(jī)與Pixhawk 飛行控制板的數(shù)據(jù)。[1-3]

3 無人機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)的軟件部分設(shè)計(jì)主要基于ROS框架，通過收集各傳感器組件的數(shù)據(jù)，建立各模塊之間的數(shù)據(jù)通信，并且為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在特殊環(huán)境下的定位導(dǎo)航需求，所以采用圖優(yōu)化激光SLAM 算法設(shè)計(jì)了定位導(dǎo)航建圖系統(tǒng)，使無人機(jī)可以提高定位導(dǎo)航能力。

根據(jù)無人機(jī)功能需求的實(shí)際分析，本文設(shè)置三層ROS 架構(gòu)，分別為應(yīng)用層、中間框架層和系統(tǒng)及硬件層。軟件架構(gòu)清晰且功能明確得益于這樣的分層設(shè)置。系統(tǒng)中的各個節(jié)點(diǎn)是由節(jié)點(diǎn)管理器ROS Master 進(jìn)行統(tǒng)一管理的，這會使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定有條理地運(yùn)行。

對于系統(tǒng)及硬件層，采用了ROS 這個運(yùn)行在Linux系統(tǒng)中的機(jī)器人開發(fā)的軟件框架，同時本文對底層控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，安裝調(diào)試各種硬件的驅(qū)動，這樣硬件系統(tǒng)才能有條理地根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行。中間框架層是ROS 系統(tǒng)針對自身特點(diǎn)基于TCP/UDP 網(wǎng)絡(luò)對其進(jìn)行封裝后的通信協(xié)議TCPROS/UDPROS，以及OpenCV 和Math 等相關(guān)的計(jì)算庫文件，承擔(dān)上層應(yīng)用API 接口調(diào)用的功能。對于應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，這屬于系統(tǒng)核心層設(shè)計(jì)，需要一個節(jié)點(diǎn)管理器ROS Master，節(jié)點(diǎn)管理器負(fù)責(zé)ROS 系統(tǒng)中各個功能模塊節(jié)點(diǎn)的注冊和連接，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)ROS 系統(tǒng)中的各個功能模塊有組織的根據(jù)設(shè)計(jì)要求運(yùn)行起來。對于應(yīng)用層來說，需要對ROS系統(tǒng)中各個功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中每個模塊都是一個進(jìn)程，對于ROS 就是一個節(jié)點(diǎn)。本結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確的無人機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的地圖構(gòu)建、定位導(dǎo)航和飛行控制的功能。圖1 是軟件的分層架構(gòu)圖。

圖1 軟件的分層架構(gòu)

3.1 ROS 操作系統(tǒng)

ROS（Robot Operating System 機(jī)器人操作系統(tǒng)）起源于斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage 合作的機(jī)器人項(xiàng)目。ROS 這個在Linux 內(nèi)核開源次級OS 系統(tǒng)開發(fā)無人機(jī)有很多優(yōu)勢，類似于Android安卓系統(tǒng)，是一個專用于機(jī)器人的開發(fā)框架。雖然ROS 不是一個實(shí)時的框架，但是可以嵌入實(shí)時程序。ROS 系統(tǒng)提供驅(qū)動管理，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間消息傳遞，擁有系統(tǒng)提供的通訊方式、程序包管理。ROS 系統(tǒng)提供很多軟件功能包，比如最常用的rqt 和rviz。ROS 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳感器，執(zhí)行器與算法分離。在無人機(jī)開發(fā)的過程中，對于比較通用的功能有豐富的功能包。ROS 有豐富的開源社區(qū)和軟件生態(tài)，支持C++、python等多語言開發(fā)。對于無人機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的各個功能可以分成一個個節(jié)點(diǎn)獨(dú)立開發(fā)，所以采用ROS 系統(tǒng)開發(fā)無人機(jī)不但可以降低開發(fā)難度，后期的維護(hù)升級也很方便。

3.2 SLAM 算法

目前的技術(shù)對于已知位置的無人機(jī)定位和地圖描繪有了一定的解決辦法，但是在很多情況下事先獲取無人機(jī)工作環(huán)境是非常困難的，因此實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在陌生環(huán)境中的自主運(yùn)動和工作是非常重要的。無人機(jī)需要確定自己的位置，在完全陌生的環(huán)境中創(chuàng)建地圖，并且利用地圖進(jìn)行定位和導(dǎo)航。SLAM，即simultaneous localization and mapping，simultaneous 表示數(shù)據(jù)實(shí)時同步，localization 則是在確定地圖信息的情況下，估計(jì)無人機(jī)的位置信息及姿態(tài)，mapping 意思是在給定無人機(jī)位姿的情況下。另外，線程的單幀對單幀由點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)造，這樣能夠提高關(guān)鍵詞與數(shù)據(jù)融合的效率，可以迅速還原局部三維地圖場景。這種技術(shù)操作簡單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性好，能適應(yīng)飛行環(huán)境中的實(shí)時位置和路徑監(jiān)控要求。與激光 SLAM 相比，SLAM 視覺系統(tǒng)硬件成本低，能夠獲取環(huán)境的紋理和顏色，因此它的應(yīng)用范圍更加廣泛。SLAM 在前端能夠利用傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境特征提取，對路標(biāo)進(jìn)行觀察，并與位姿相關(guān)，保證了后端的非線性最優(yōu)估計(jì)初值可靠。在此基礎(chǔ)上，首先要解決的問題就是如何進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，如何找到與歷史測量之間的關(guān)系，以及如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動追蹤，并完成位置和構(gòu)成。后端以前面的工作為基礎(chǔ)，對位姿和路標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)地圖的一致性、全方位、高精度的建設(shè)[4-8]。

由于GPS 定位系統(tǒng)只能應(yīng)用在室外環(huán)境中，面對倉庫、工廠、車庫這樣的室內(nèi)環(huán)境中GPS 不能發(fā)揮作用。搭載單目視覺傳感器的無人機(jī)借助SLAM 算法，可以在陌生的環(huán)境中建立地圖，進(jìn)行定位導(dǎo)航，可以避開障礙物?；跒V波器的SLAM 算法只估計(jì)當(dāng)前時刻的位姿，忽略了之前時刻的位姿，所以無人機(jī)定位建圖的過程中不可避免地會產(chǎn)生累計(jì)誤并且無法消除。且由于當(dāng)前幀的姿態(tài)結(jié)果是根據(jù)前一幀的姿勢結(jié)果所計(jì)算得出的，因此在前一幀中的系統(tǒng)姿勢約束會導(dǎo)致每次的推算存在誤差，如果位姿誤差持續(xù)出現(xiàn)，誤差就會被大量累積，直至產(chǎn)生累積誤差。這將極大地影響機(jī)器人在長期工作狀態(tài)下的預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，從而導(dǎo)致不能建立具有高精度和全局一致性的軌道和地圖。而采用圖優(yōu)化SLAM 算法設(shè)計(jì)無人機(jī)同步定位建圖系統(tǒng)可以消除累計(jì)誤差。

4 無人機(jī)應(yīng)用方案

該款無人機(jī)由于搭載了單目視覺傳感器，同時借助了SLAM 算法，因此可以實(shí)現(xiàn)避開障礙物的功能，預(yù)期可以在警用治安防控、防汛抗旱等方面使用，在民用企業(yè)，該款無人機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)高空監(jiān)測、特殊環(huán)境巡航等功能。因此，該款無人機(jī)在軍民領(lǐng)域都能得到廣泛應(yīng)用。

5 總結(jié)

本文基于機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）設(shè)計(jì)了一種易于開發(fā)與維護(hù)的四旋翼無人機(jī)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出包含應(yīng)用層、中間框架層和系統(tǒng)及硬件層的三層軟件架構(gòu)，并提出了借助圖優(yōu)化的SLAM 算法，創(chuàng)建了單目視覺定位的模擬地圖構(gòu)建與分析法，在可以消除累計(jì)誤差的同時能夠達(dá)成準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定飛行的效果。通過測試也證明了：基于ROS和圖優(yōu)化SLAM的四旋翼無人機(jī)，定位效果優(yōu)秀、地圖構(gòu)建準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)交互迅速，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較高的環(huán)境適應(yīng)性，并可完成復(fù)雜環(huán)境下的自主飛行及相關(guān)的需求任務(wù)，預(yù)期可以在警民領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。