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(kù)西
(新疆工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830000)
現(xiàn)如今,在中國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下,相關(guān)學(xué)者對(duì)飛行器中的控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。但在對(duì)多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行改良時(shí),發(fā)現(xiàn)其會(huì)受到飛行環(huán)境的影響,這些不確定因素會(huì)對(duì)飛行器控制的信號(hào)接收等帶來(lái)較大的影響。因此,需要加強(qiáng)對(duì)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(duì)多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。
在日常的生活中,大部分人會(huì)將無(wú)人飛行載具稱為無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是利用無(wú)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(duì)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(tái),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(guò)PⅠD、模糊、非線性和網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多旋翼飛行情況的控制[1]。
目前,在對(duì)此系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行研究時(shí),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。
新時(shí)期,為了更好地解決無(wú)人機(jī)在實(shí)際作業(yè)中的問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者對(duì)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(duì)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(wèn)題,可以將多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作為平臺(tái),在ROS及MAVROS 系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建,促進(jìn)其與開(kāi)源飛行控制器之間的有效結(jié)合,在此基礎(chǔ)上組成二級(jí)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(guò)程中,還結(jié)合RTK-GPS 的絕對(duì)位置等內(nèi)容,加強(qiáng)了對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)方法的有效應(yīng)用,主要融合了外部傳感器。然后通過(guò)對(duì)其中數(shù)據(jù)的分析,及時(shí)修正無(wú)人機(jī)在運(yùn)行中的狀態(tài),在此基礎(chǔ)上不斷提高無(wú)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(wú)人機(jī)的自主性能,還要在ROS系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),如可以開(kāi)發(fā)出飛行任務(wù)管理系統(tǒng),此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)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(guó)就已經(jīng)制作出了性能非常穩(wěn)定的多旋翼無(wú)人機(jī),對(duì)其中的自動(dòng)控制飛行器也進(jìn)行了完善。在對(duì)飛行器進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析時(shí),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(duì)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(wú)人機(jī)本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對(duì)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(shí)一般還是以手動(dòng)操作為主,這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)變化,影響無(wú)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(duì)多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的改進(jìn)和設(shè)計(jì),減少其他因素對(duì)無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行的影響。
現(xiàn)如今,多旋翼無(wú)人機(jī)在中國(guó)各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了有效應(yīng)用,相關(guān)學(xué)者可以通過(guò)對(duì)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(duì)飛行情況的有效控制。如果將多旋翼無(wú)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(wú)人機(jī)在任務(wù)飛行等方面,具有非常大的優(yōu)勢(shì),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(shí),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(wú)人機(jī)主要是與地面工作站進(jìn)行通信,通過(guò)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(wú)人機(jī),在對(duì)地空信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接時(shí),其只是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,所收到的信號(hào)傳輸距離會(huì)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(huì)受到影響[2]。
因此,只能對(duì)比較簡(jiǎn)單的遙控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸。但是,無(wú)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(tái)中,不斷改善以往的低空信息傳輸效果,及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中所存在的問(wèn)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(shí)解決無(wú)人機(jī)與地面工作站之間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。同時(shí),如果在ROS 系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的完善,還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流、功率和壓力等模擬量的準(zhǔn)確測(cè)量,對(duì)具體的飛行情況進(jìn)行監(jiān)視,從而為無(wú)人機(jī)的安全飛行提供保障。
為了在多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中更好地發(fā)揮ROS 系統(tǒng)自身的功能作用,需要對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)飛行特點(diǎn)進(jìn)行分析。以前的無(wú)人機(jī)設(shè)備在飛行時(shí)一般需要通過(guò)人工實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控器的操作,在此基礎(chǔ)上控制飛行姿態(tài),其中的自動(dòng)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(duì)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(duì)飛行任務(wù)規(guī)劃軟件進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)其具備GoogleMap 的APⅠ接口,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行航線的控制和分析,然后在三維地圖上對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)易的規(guī)劃,進(jìn)而更加高效地完成執(zhí)行飛行等任務(wù)。
現(xiàn)階段,以前的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足多旋翼微型無(wú)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(kāi)源飛行控制機(jī)制,完善無(wú)人機(jī)自主飛行控制的解決方案[3]。一般情況下,整個(gè)系統(tǒng)主要分為3 部分,即地面站、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及飛行員。地面站中存在便攜式計(jì)算機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集和整合;無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)、無(wú)線電臺(tái)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(duì)無(wú)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(guò)程中,飛行員們手中需要持有遙控器,及時(shí)控制無(wú)人機(jī)的運(yùn)行情況,避免其在自主飛行過(guò)程中出現(xiàn)其他的問(wèn)題。
應(yīng)用無(wú)線路由器優(yōu)化局域網(wǎng)環(huán)境,不僅可以對(duì)協(xié)同計(jì)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(guò)UDP 協(xié)議對(duì)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(duì)基準(zhǔn)站位置的準(zhǔn)確判斷,對(duì)其海拔信息等進(jìn)行科學(xué)設(shè)置,然后通過(guò)UDP 路由到ⅠP 地址127.0.0.1,在此基礎(chǔ)上對(duì)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(duì)飛行參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算。
此外,在對(duì)RFD900+型無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行設(shè)置時(shí),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(duì)雙向數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí),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(wèn)題。
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(dòng)化性能。同時(shí),加強(qiáng)其與協(xié)議MAVLink 的有效結(jié)合,還可以對(duì)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(duì)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(wèn)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。
一般情況下,操作人員會(huì)將嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用在ARM 處理器平臺(tái)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(shí),及時(shí)解決飛行姿態(tài)控制問(wèn)題,還能夠在實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作飛行的基礎(chǔ)上,大大降低能耗,不斷增加對(duì)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(duì)型號(hào)相同的多旋翼飛行器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),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(duì)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。
在對(duì)地面工作站的性能進(jìn)行強(qiáng)化時(shí),需要從C/S架構(gòu)和三維GoogleMap 等角度出發(fā),對(duì)地面的任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化和智能化的程度,為用戶們提供更加便利的操作。
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(kāi)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(dòng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的濾波,并且其還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)位置和姿態(tài)的有效控制。無(wú)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(duì)PⅠD 的有效控制。一般情況下,在對(duì)姿態(tài)控制的內(nèi)容進(jìn)行分析時(shí),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(duì)所需目標(biāo)的角速度等進(jìn)行計(jì)算時(shí),不僅要對(duì)實(shí)際角速度的偏差進(jìn)行分析,還要通過(guò)PⅠD,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,保障無(wú)人機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行的姿態(tài),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行位置的準(zhǔn)確判斷。
當(dāng)前,在對(duì)多旋翼自主飛行控制方式進(jìn)行分析時(shí),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(jì)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(huì)大大降低飛行控制系統(tǒng)在運(yùn)行中的穩(wěn)定性。同時(shí),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(duì)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展。
應(yīng)用運(yùn)行ROS 的協(xié)同計(jì)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(wú)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(gè)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]。
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(huì)發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)功能得到了改進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái),主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)的自動(dòng)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(duì)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(guò)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。
利用單目視覺(jué)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(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)傳輸信息等內(nèi)容的有效分析,加強(qiáng)對(duì)局部數(shù)據(jù)流的有效控制。同時(shí),應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn),還可以進(jìn)行對(duì)點(diǎn)的構(gòu)造,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)及結(jié)果精確度高等優(yōu)勢(shì),所以其能夠在滿足飛行要素的同時(shí),對(duì)其軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確定位。此外,還需要注意對(duì)通信節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)。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(jì)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(duì)通信節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),需要結(jié)合不同類型的編碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。
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(wú)人中的自主飛行控制,完成視覺(jué)導(dǎo)航。同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)其中硬件的設(shè)計(jì),還能夠改善原有的GPS 導(dǎo)航環(huán)境,避免信號(hào)丟失等情況的發(fā)生,將其轉(zhuǎn)為單目視覺(jué)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(duì)當(dāng)前的多旋翼飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí),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(wú)人機(jī)偵察及自主飛行等任務(wù)。同時(shí),此系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的有效處理。技術(shù)人員在對(duì)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(duì)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。
在中國(guó)飛行事業(yè)不斷發(fā)展的背景下,為了進(jìn)一步保障無(wú)人機(jī)在飛行中的穩(wěn)定性,在ROS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的創(chuàng)新和任務(wù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì),強(qiáng)化了控制系統(tǒng)的自主性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行過(guò)程的智能化控制,進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)多旋翼自主飛行控制系統(tǒng)的升級(jí)和改造。