基于Mission Planner的無人機自主導(dǎo)航測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

馬晨皓， 楊國東， 邸健， 張旭晴

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 長春 130026； 2.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院， 長春 130026)

隨著測繪行業(yè)的蓬勃發(fā)展，無人機作為一種提供地理信息數(shù)據(jù)采集的新型技術(shù)，得到了前所未有的發(fā)展。無人機系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，主要表現(xiàn)為響應(yīng)速度快、機動性能好，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、能源、國土調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用[1-2]。近些年，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速，接收機的成本、尺寸和重量不斷減小，而定位精度不斷提高[3]。目前，許多學(xué)者多研究無人機在遙感方面及高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)測量系統(tǒng)的應(yīng)用。魯鵬等[4]針對砂船量方采用傳統(tǒng)方法計算較難的問題，采用新型無人機測繪技術(shù)獲取砂船影像，并將獲取的數(shù)據(jù)進行解算生成點云，最終計算砂船的載沙量。杜蒙蒙等[5]針對傳統(tǒng)農(nóng)田地形測繪方法自動化程度不高，將無人機與激光測距技術(shù)相結(jié)合，并對農(nóng)田地形進行測量，結(jié)果表明自動化程度大大提高。池文浩等[6]針對傳統(tǒng)的RTK(real time kinematic)、全站儀外業(yè)采集碎步點效率較低的問題，利用無人機攝影測量技術(shù)測繪1∶500地形圖，結(jié)果表明極大提高了測量效率。董景利[7]針對商用GNSS測量系統(tǒng)成本較高的問題，利用NEO-M8P芯片構(gòu)建一套GNSS系統(tǒng)并進行靜態(tài)測量，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到厘米級。目前并未有研究將RTK或PPK(post processed kinematic)測量系統(tǒng)搭載到無人機上代替人工進行點位測量，因此現(xiàn)設(shè)計一款基于Mission Planner開源地面站和GNSS相結(jié)合的無人機自主導(dǎo)航測量系統(tǒng)，實現(xiàn)點位三維數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)量測，為今后開展全自動測量技術(shù)設(shè)備的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和實踐參考。

1 多旋翼無人機運動分析

采用導(dǎo)航坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系描述四旋翼無人機的飛行姿態(tài)，如圖1所示，其中F1、F2、F3、F4分別為相應(yīng)旋翼所產(chǎn)生的升力。在導(dǎo)航坐標(biāo)系中，Ozn、Oxn垂直于Oyn并且在同一水平面中，Ozn軸垂直于水平面，其中Oxn和Oyn的方向分別為東和北[8-9]。在機體坐標(biāo)系中，原點定義為機體中心，Oxb軸為旋翼3和旋翼4與原點的角平分線，同理Oyb軸為旋翼1和旋翼4與原點的角平分線，并且Oxb與Oyb相互垂直，Ozb軸垂直向上。姿態(tài)測量系統(tǒng)中的磁力計、加速計、陀螺儀等傳感器均以機體坐標(biāo)系為基準(zhǔn)輸出坐標(biāo)值。因此，將橫滾角定義為Oxb軸與水平面的夾角φ，俯仰角為Oyb與水平面的夾角，偏航角為繞Ozb軸旋轉(zhuǎn)角ψ，順時針方向為正[10]。

圖1 四旋翼無人機導(dǎo)航坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系Fig.1 Four-rotor UAV navigation coordinate system and body coordinate system

2 自主導(dǎo)航測量系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計

自主導(dǎo)航測量系統(tǒng)共分為地面控制系統(tǒng)和無人機飛行平臺兩個部分。地面站、數(shù)傳圖傳交互模塊和GNSS基準(zhǔn)站構(gòu)成地面控制系統(tǒng)；動力裝置、Pixhawk飛行控制系統(tǒng)、GNSS接收機、電子羅盤模塊和數(shù)傳圖傳交互模塊構(gòu)成無人機飛行平臺。此套自主導(dǎo)航測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個控制系統(tǒng)通過無人機內(nèi)環(huán)飛控完成機體的穩(wěn)定飛行以及俯仰、橫滾、偏航等動作。GNSS系統(tǒng)2通過與衛(wèi)星信號進行交互，實時解算出無人機的位置信息，最終通過數(shù)傳系統(tǒng)2將各類信息發(fā)送至地面站中。GNSS模塊1與地面控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)站構(gòu)成PPK后差分系統(tǒng)，從而獲取高精度的無人機位置信息。相機將所獲取的視頻數(shù)據(jù)通過圖傳模塊實時將視頻流數(shù)據(jù)發(fā)送至地面站。

2.2 無人機飛行平臺及地面控制站的搭建

采用四旋翼飛行器作為飛行平臺，飛行器的組件主要包括：F450機架、YH 2216自鎖電機、好盈樂天20A電調(diào)、1047螺旋槳、Pixhawk飛控、NEO-M8T GNSS和視頻疊加OSD(on-screen display)模塊，飛機軸距設(shè)計為450 mm。

在無人機上搭載主要的功能部件，通過集成開發(fā)，組成無人機飛行平臺。主要的功能部件為：V5數(shù)傳電臺、TS832圖傳發(fā)射機、相機、云臺、PPK移動站，最終構(gòu)建的無人機飛行平臺如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System overall structure diagram

地面控制系統(tǒng)(圖4)采集無人機的空間位置、航向、視頻等信息，同時采用PID(proportion integration differentiation)控制算法完成無人機的飛行控制。主要的部件有：RC832圖傳接收機、V5數(shù)傳電臺、Mission Planner地面站、FS-AT9S型遙控器、便攜式計算機(處理器i5-3337U，GT720M，內(nèi)存8 G，華碩)。

2.3 PPK-GNSS定位裝置設(shè)計

為獲取準(zhǔn)確的空間位置數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計一套PPK后差分系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。移動站和基準(zhǔn)站均采用U-blox公司的NEO-M8T芯片，該芯片可接收BDS、GPS、GLONASS和Galileo等其他衛(wèi)星系統(tǒng)信號，其中接收機的尺寸為5.5 cm×3.4 cm×1.2 cm。此套后差分系統(tǒng)的基準(zhǔn)站采樣頻率設(shè)定為1 Hz，移動站采樣頻率為10 Hz，PPK差分系統(tǒng)如圖5所示。

圖3 無人機飛行平臺實物圖Fig.3 A physical picture of the UAV flight platform

圖4 地面控制系統(tǒng)實物圖Fig.4 Physical drawing of ground control system

圖5 PPK差分系統(tǒng)Fig.5 PPK difference system

3 無人機飛行自主路徑規(guī)劃

3.1 無人機地面測控系統(tǒng)

Mission Planner地面站是開源地面控制軟件，主要用于旋翼和固定翼等其他機型，為無人機提供動力學(xué)控制[11]。Mission Planner作為無人機地面測控系統(tǒng)，工作人員可通過該系統(tǒng)對無人機進行實時控制，同時無人機端將所獲取的坐標(biāo)信息以及無人機自身信息實時回傳，例如電量、空間位置、連接情況等。地面測控系統(tǒng)主要分為地圖模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通訊模塊和交互模塊，具體的實現(xiàn)功能如圖6所示。

圖6 地面測控系統(tǒng)模塊Fig.6 Ground measurement and control system module

使用系統(tǒng)中的地圖模塊可實現(xiàn)航跡點路徑規(guī)劃、目標(biāo)點的讀取、無人機位置和航行軌跡顯示、創(chuàng)建飛行任務(wù)；數(shù)據(jù)交互模塊可實現(xiàn)機載端各類數(shù)據(jù)的顯示以及地面端指令的發(fā)送等；數(shù)據(jù)保存模塊主要實現(xiàn)規(guī)劃航點和目標(biāo)航點的數(shù)據(jù)保存。

3.2 航跡控制系統(tǒng)模型

航跡控制是指當(dāng)無人機按照預(yù)先設(shè)定的航線飛行時，計算實際飛行航線與規(guī)劃航線的距離偏差，通過控制無人機四個電機的轉(zhuǎn)速消除航向偏差和距離偏差。如圖7所示，航跡控制算法利用雙閉環(huán)控制的方式，實現(xiàn)對無人機飛行航向和航速的控制。當(dāng)對無人機的飛行路線進行控制時，利用APM(advanced power management)處理器中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取無人機的空間位置和航向等相關(guān)信息，同時根據(jù)Mission Planner地面測控站獲取規(guī)劃的目標(biāo)軌跡[12]。最終計算兩者的差值得到實際軌跡與規(guī)劃軌跡的距離偏差η和航向偏差Δψ。航跡控制通過雙閉環(huán)控制法將位置和航向控制進行分離，從而完成航跡的有效控制。

圖7 航跡控制原理圖Fig.7 Track control schematic

PID控制算法是無人機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有高可靠性、多功能性和易操作性。當(dāng)對航向控制系統(tǒng)進行分析時，無人機的PID控制原理如圖8所示[13]。

圖8 無人機PID控制器原理圖Fig.8 UAV PID controller schematic diagram

標(biāo)準(zhǔn)的航向控制PID公式為

(1)

式(1)中：KP代表系統(tǒng)響應(yīng)速度的快慢；KI為消除靜態(tài)誤差；KD代表閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性強弱。通過對PID控制原理進行分析，無人機航向控制的輸入量是由給定值和真實值的差值Δψ做比例、積分、微分，最后將三者求和得到。

在整個系統(tǒng)中具有至關(guān)重要作用的是PID的參數(shù)整定，方法主要包括以下三種：臨界比例法、試湊法和衰減曲線法。其中最為簡單易用的是衰減曲線法，且應(yīng)用范圍較廣。具體的實現(xiàn)過程是首先對比例系數(shù)進行由小到大的調(diào)節(jié)，最終使系統(tǒng)的衰減比達(dá)到4∶1。需要將震蕩周期參數(shù)TS1和比例調(diào)節(jié)參數(shù)KP1進行記錄，并利用表1中的整定算法計算得出PID的相關(guān)參數(shù)。

表1 衰減曲線法PID參數(shù)整定計算表Table 1 Attenuation curve method PID parameter tuning calculation table

3.3 航跡規(guī)劃與自主導(dǎo)航

地面控制系統(tǒng)利用數(shù)傳電臺與Pixhawk飛行控制系統(tǒng)進行通信，通過MAVLinK通信協(xié)議實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交互。連接成功后，地面站主界面中將顯示無人機的各類數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度信息、高程信息、飛行速度和高度等信息。在執(zhí)行任務(wù)之前可將任務(wù)區(qū)域的影像圖進行下載，通過Pixhawk飛控系統(tǒng)GNSS定位模塊可解析出無人機的定位信息，并在影像圖中實時顯示無人機的位置和任務(wù)區(qū)域的位置，如圖9所示。

Mission Planner地面站可設(shè)置無人機的起飛點、降落點，飛行航線、速度和高度等參數(shù)，實現(xiàn)無人機的全自主導(dǎo)航作業(yè)。使用地面站中的Goole Maps進行即點即得的航點輸入，同時可以調(diào)整飛行的姿態(tài)和速度。也可以利用地面站中自動航點的功能，根據(jù)在地圖上所繪制的區(qū)域范圍，自動生成無人機的航線方向、間距和速度，最終生成較為合理的最優(yōu)自主航線。航線規(guī)劃完成后，地面站中將顯示路徑中每個航點的具體信息，如圖10所示。飛機在接收地面站發(fā)送的指令后進行飛行，并實時記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，將其保存至.tlog文件中。飛機返航后，可在地面站中對航行任務(wù)數(shù)據(jù)進行回放和分析。

圖9 Mission Planner地面站主界面Fig.9 Mission Planner earth station main interface

圖10 規(guī)劃航線界面Fig.10 Planned route interface

4 系統(tǒng)測試

4.1 GNSS-BDS/GPS系統(tǒng)定位測試

快速準(zhǔn)確的定位能力是無人機導(dǎo)航控制的基礎(chǔ)，為驗證本系統(tǒng)中PPK后差分系統(tǒng)的定位精度，進行了無人機的靜態(tài)定位試驗。共設(shè)計三組不同的基線長度進行靜態(tài)測量，分別為1、2、5 km。移動站以10 Hz的頻率采集定位點的數(shù)據(jù)，最終與基準(zhǔn)站所獲取的數(shù)據(jù)進行后差分處理，利用RTKLIB軟件對所獲取的原始數(shù)據(jù)進行PPK解算，點位分布如圖11所示。數(shù)據(jù)解算結(jié)果如圖12和表2所示，對于BDS/GPS組合定位，此套PPK后差分系統(tǒng)在N、E、U方向的定位精度為厘米級，證明其穩(wěn)定性較好，滿足設(shè)計要求。

表2 不同長度基線解算結(jié)果Table 2 Baseline calculation results of different lengths

4.2 無人機自動導(dǎo)航對比試驗

本節(jié)將Mission Planner地面站與APM相結(jié)合，測試無人機航線自主導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。利用無人機進行自主導(dǎo)航的對比試驗，共規(guī)劃4條航線，設(shè)定無人機的飛行順序為1→2→3→4→5→6→7→8，目標(biāo)點的經(jīng)緯度信息如表3所示。

APM處理器利用內(nèi)部的PID算法控制飛機的航向和航速，將首個目標(biāo)點規(guī)定為當(dāng)前飛行路徑的終點，在無人機到達(dá)目標(biāo)點位后，進而進行路徑的切換。通過對數(shù)據(jù)進行解析，得出無人機在飛行過程中所獲取的衛(wèi)星數(shù)、信號連續(xù)性、空間幾何強度因子PDOP(position dilution of precision)值和信噪比，數(shù)據(jù)解算結(jié)果如圖13～圖15所示，結(jié)果表明動態(tài)飛行測試效果良好。

圖11 點位分布圖Fig.11 Point distribution map

圖12 不同長度基線PPK解算精度圖Fig.12 Calculating accuracy of different length baselines PPK

表3 路徑航跡點位置坐標(biāo)Table 3 Position coordinates of path track points

圖13 衛(wèi)星數(shù)Fig.13 Number of satellites

圖14 PDOP值Fig.14 PDOP value

分別在每條航線上選取6個點作為精度檢查點，共獲取24組數(shù)據(jù)。同時與規(guī)劃的航線進行對比，計算每個點的偏移距離。圖16為4條路徑的偏差分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得出無人機水平定位精度為0.39 m，達(dá)到分米級的定位精度。

4.3 點位坐標(biāo)測量試驗

共設(shè)計7個目標(biāo)點用于坐標(biāo)測量，使用木樁和白油漆作為點位標(biāo)志，便于通過相機找到精確的點位中心。首先假設(shè)基準(zhǔn)站，靜置10 min后，通過手持PPK-GNSS移動站設(shè)備分別測得7個地面點的精確坐標(biāo)。然后無人機通電，待出現(xiàn)固定解后，在Mission Planner地面站中規(guī)劃航線界面的Goole maps地圖中分別點擊7個點所在的位置，生成航線圖，進行全自主點位坐標(biāo)測量，點位標(biāo)記如圖17所示。

圖15 航線對比Fig.15 Route contrast

圖16 偏差分析圖Fig.16 Deviation analysis diagram

圖17 點位標(biāo)記Fig.17 Point mark

由于規(guī)劃的點位只是粗略的位置，所以當(dāng)無人機到達(dá)每個點位上方時，通過相機捕捉到地面的十字噴漆標(biāo)記，無人機自動降到距離地面2 m的位置，通過手動調(diào)節(jié)方式使十字標(biāo)記處于相機中心處，進行拍照。每個點位共拍攝10次，即獲取10個坐標(biāo)，取平均值后即為該點的真實坐標(biāo)。由于PPK移動站沒有直接接觸到木樁，所以高程數(shù)據(jù)需要計算，公式為

H=h測+Δh-h設(shè)

(2)

式(2)中：H為最終的高程；h測為測量的真實值；h設(shè)為無人機飛行的設(shè)計高度；Δh為導(dǎo)航GPS天線與PPK天線的高差。最終通過無人機測得數(shù)據(jù)與真實坐標(biāo)的對比如表4所示。水平方向和垂直方向的定位精度均達(dá)能到10 cm，且定位穩(wěn)定性較好，滿足工程測量的實際需求。

5 結(jié)論

基于Mission Planner開源地面站和GNSS定位裝置，設(shè)計實現(xiàn)了無人機自主導(dǎo)航測量系統(tǒng)，通過對其進行系統(tǒng)測試，得到以下結(jié)論。

(1)設(shè)計完成了PPK-GNSS定位裝置與無人機航跡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無人機飛行平臺和地面控制站兩部分組成，無人機飛行平臺以四旋翼無人機為載體， 整個平臺飛行穩(wěn)定，控制性能良好，設(shè)計并搭建了以 NEO-M8T芯片為核心的 PPK-GNSS 定位裝置。

(2)通過Mission Planner地面測控系統(tǒng)中的地圖模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)交互模塊和通信模塊，實現(xiàn)無人機的飛行路線規(guī)劃、航點位置數(shù)據(jù)讀取、實時顯示無人機的位置和飛行軌跡等功能。

(3)系統(tǒng)試驗結(jié)果表明PPK-GNSS模塊定位精度達(dá)到厘米級，無人機自動導(dǎo)航定位精度達(dá)到分米級。將兩者相結(jié)合進行點位坐標(biāo)測量試驗，定位精度均能達(dá)到10 cm，此套系統(tǒng)具有較高的定位精度和穩(wěn)定性，效率較高。

表4 測量點與真實點的三維坐標(biāo)值Table 4 The three-dimensional coordinate value of the measuring point and the real point