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基于ROS 系统的多旋翼自主飞行控制系统研究*

2022-11-24王佳豪郭云斌李家贰马心逸麦麦提力沙吾尔热合多啦阿库西

科技与创新 2022年21期
关键词:旋翼系统

王佳豪,郭云斌,李家贰,马心逸,麦麦提力·沙吾尔,热合多啦·阿库西

(新疆工程学院,新疆乌鲁木齐 830000)

现如今,在中国科学技术不断发展的背景下,相关学者对飞行器中的控制系统进行了优化设计。但在对多旋翼自主飞行控制系统进行改良时,发现其会受到飞行环境的影响,这些不确定因素会对飞行器控制的信号接收等带来较大的影响。因此,需要加强对ROS(Robot Operating System)系统的科学应用,在此基础上实现对多旋翼自主飞行控制系统的进一步完善。

1 多旋翼无人机的概述

在日常的生活中,大部分人会将无人飞行载具称为无人飞机系统。此系统主要是利用无线电智能遥控设备,或者是其自身在运行中所自带的控制装置,实现对飞机的操控。多旋翼飞行器就是其中的主要内容之一,这种设备的主体部分有机架和云台,控制系统一般为遥控接收器和遥控等,是保证多旋翼自主飞行的核心。在此基础上,技术人员可以通过PⅠD、模糊、非线性和网络等系统实现对多旋翼飞行情况的控制[1]。

目前,在对此系统的控制功能进行研究时,发现其正向着荷载和自主飞行等方向发展。特别是ROS 系统在多旋翼自主飞行控制中的应用,能够让其在具体的飞行中进行自主性导航,完成智能飞行。

2 多旋翼自主飞行控制系统的发展

新时期,为了更好地解决无人机在实际作业中的问题,相关学者对空间位置定位精度不足及飞行参数不稳定等因素进行了分析,采取措施实现了对其中控制系统的改进。在一定程度上减少了雾滴分布不均匀等问题,可以将多旋翼无人机系统作为平台,在ROS及MAVROS 系统上,实现对计算机系统的构建,促进其与开源飞行控制器之间的有效结合,在此基础上组成二级控制系统。部分学者在多旋翼自主飞行控制系统运行的过程中,还结合RTK-GPS 的绝对位置等内容,加强了对激光雷达探测方法的有效应用,主要融合了外部传感器。然后通过对其中数据的分析,及时修正无人机在运行中的状态,在此基础上不断提高无人机飞行的效果,保证其在具体飞行中的稳定性。要想进一步强化多旋翼无人机的自主性能,还要在ROS系统上,实现对相关系统的设计和开发,如可以开发出飞行任务管理系统,此系统能够实现对无人机的精准定位,明确自主任务的飞行情况。

早在2005 年,中国就已经制作出了性能非常稳定的多旋翼无人机,对其中的自动控制飞行器也进行了完善。在对飞行器进行评价和分析时,可以从安全性、灵活性和扩展性等内容出发。相关学者发现,如果在ROS 系统上,实现对多旋翼自主飞行控制系统的优化,不仅能够保证其结构的稳定性,还具有成本低和灵活控制等特点。但是,由于无人机本身的结构比较复杂,对控制精度的相关要求也比较高。因此,在具体的飞防作业时一般还是以手动操作为主,这会导致环境参数出现变化,影响无人机的稳定飞行。因此,还是需要在ROS 系统的基础上,实现对多旋翼自主飞行控制系统的改进和设计,减少其他因素对无人机稳定飞行的影响。

3 ROS 系统的多旋翼自主飞行无人机

3.1 多旋翼无人机

现如今,多旋翼无人机在中国各个领域已经得到了有效应用,相关学者可以通过对螺旋桨微调推力的分析,采取措施保证其一直处于稳定飞行的姿态,实现对飞行情况的有效控制。如果将多旋翼无人机与固定翼飞机进行比较,能够明显看出,多旋翼无人机在任务飞行等方面,具有非常大的优势,能够在完成基本任务的基础上,保持飞行姿态的稳定性,避免消耗大量的能量缺陷。同时,其还能够产生比较稳定的载荷,降低整体的维护成本。

这种无人机主要是与地面工作站进行通信,通过设备之间的数据链,进而达到非常好的通信中介效果。以前的无人机,在对地空信息进行转换连接时,其只是点对点的通信,所收到的信号传输距离会受到其他因素的影响,并且严重情况下其性能的发挥也会受到影响[2]。

因此,只能对比较简单的遥控数据信号进行传输。但是,无人多旋翼任务系统在具体飞行中的有效应用,不仅能够让控制核心和地面数据链等内容更加完善,还能够在ARM(Advanced RⅠSC Machines)平台中,不断改善以往的低空信息传输效果,及时发现其中所存在的问题,保证数据信息通信之间的有效性,进而在根本上及时解决无人机与地面工作站之间的数据通信问题。同时,如果在ROS 系统上,实现对多旋翼自主飞行控制系统的完善,还能够实现对电流、功率和压力等模拟量的准确测量,对具体的飞行情况进行监视,从而为无人机的安全飞行提供保障。

3.2 传统的无人机

为了在多旋翼自主飞行控制系统设计中更好地发挥ROS 系统自身的功能作用,需要对传统的无人机飞行特点进行分析。以前的无人机设备在飞行时一般需要通过人工实现对遥控器的操作,在此基础上控制飞行姿态,其中的自动程序并不完善,功能也比较单调。然而,在其中融入ROS 系统,不仅可以实现对飞行任务的科学规划,还能够保证其中软件配套的科学性,更好地改善以往功能单一等缺点,在此基础上适当增加此设备的功能性。

在对飞行任务规划软件进行研究时,发现其具备GoogleMap 的APⅠ接口,能够实现对无人机飞行航线的控制和分析,然后在三维地图上对其进行简易的规划,进而更加高效地完成执行飞行等任务。

4 基于ROS 系统的多旋翼自主飞行控制解决方案

现阶段,以前的无人机控制系统已经不能满足多旋翼微型无人机在飞行中的要求了,需要结合现有的技术,在ROS 系统上构建开源飞行控制机制,完善无人机自主飞行控制的解决方案[3]。一般情况下,整个系统主要分为3 部分,即地面站、无人机系统及飞行员。地面站中存在便携式计算机,能够实现对数据信息的采集和整合;无人机系统主要包括多旋翼无人机平台、无线电台机载端和激光雷达等内容,能够保证飞行的安全性;飞行员具体的工作是在QGroundControl 控制软件的基础上,对无人机中的飞行参数进行整合,明确其中的控制指令。在此过程中,飞行员们手中需要持有遥控器,及时控制无人机的运行情况,避免其在自主飞行过程中出现其他的问题。

应用无线路由器优化局域网环境,不仅可以对协同计算机进行远程控制,还能够对飞行参数进行整合,了解其在不同硬件的具体情况,然后通过UDP 协议对其进行路由。当RTK-GPS 系统的硬件完成架设后,需要应用地面站的Swift Console 软件,实现对基准站位置的准确判断,对其海拔信息等进行科学设置,然后通过UDP 路由到ⅠP 地址127.0.0.1,在此基础上对位置信息进行更加准确的采集,明确其中的差分,将修正值科学“注入”到MAVLink 通信数据流中,从而实现对飞行参数的准确计算。

此外,在对RFD900+型无线电台进行设置时,需要建立地面站,加强其与飞行控制器之间的有效结合,实现对双向数据的传输。同时,操作人员需要将其中的工作频率范围控制在902~928 MHz,主要是为了避免在具体的飞行中出现其他问题。

5 技术的创新点

5.1 地空信息数据的通信

在ROS 系统中,存在非常先进的智能装备和数据链,所以其在多旋翼自主飞行控制系统中的应用,能够强化自动化性能。同时,加强其与协议MAVLink 的有效结合,还可以对所有的数据进行综合性整合,然后将全面的信息归纳到数据链路中,实现五遥操作。因此,实现对地空信息数据的整合和通信创新,能够大大降低多种通信制式问题,不断提高通信效率,从而进一步发挥ROS 系统在多旋翼自主飞行控制中的通讯功能。

5.2 处理飞行姿态操控问题

一般情况下,操作人员会将嵌入式操作系统应用在ARM 处理器平台上,然后将陀螺仪等传感器加入到其中,主要是为了进一步强化多旋翼自主飞行的控制效果。同时,及时解决飞行姿态控制问题,还能够在实现无人操作飞行的基础上,大大降低能耗,不断增加对能量的利用[4]。

此外,还可以在工业控制领域,创新控制系统的研究思路,在对型号相同的多旋翼飞行器进行设计时,可以设置一样的数据和机械接口,保证任务载荷的有效性,在此基础上实现对载荷的快速更换,让飞行任务之间可以更加稳定的切换和衔接,进而减少多旋翼自主飞行控制系统执行任务的成本。

5.3 强化地面工作站功能

在对地面工作站的性能进行强化时,需要从C/S架构和三维GoogleMap 等角度出发,对地面的任务进行规划,实现对数据的整合和分析,积极发挥地面工作站在多旋翼自主飞行控制系统运行中的功能作用。此外,还要不断强化地面工作站自动化和智能化的程度,为用户们提供更加便利的操作。

5.4 开源飞控ArduPilot 的应用

要想保证ROS 系统在多旋翼自主飞行中应用的有效性,不仅要完善控制系统,还要在ArduPilot 开源飞行控制的基础上明确其程序功能。此系统主要是负责Pixhawk 板载与外设传感器驱动等,实现对数据的滤波,并且其还能够实现对无人机位置和姿态的有效控制。无人机位置和姿态控制属于ArduPilot 控制的核心内容,并且姿态的控制还是实现位置控制的关键措施[5]。

因此,相关操作人员需要严格控制位置输入量,避免在目标位置和当前位置中出现偏差,结合设定的飞行速度,实现对PⅠD 的有效控制。一般情况下,在对姿态控制的内容进行分析时,发现其主要是以目标为俯仰角,这与真实角度之间存在一定的偏差。所以在对所需目标的角速度等进行计算时,不仅要对实际角速度的偏差进行分析,还要通过PⅠD,实现对电机转速的控制,保障无人机处于稳定运行的姿态,进而实现对飞行位置的准确判断。

5.5 任务管理系统的优化设计

当前,在对多旋翼自主飞行控制方式进行分析时,主要有2 种控制方法,具体如下。

修改ArduPilot 源代码,适当添加自定义的飞行任务和控制程序。这种方式并不需要引入ROS 或协同计算机,整体的操作流程和系统复杂程度较低。但是,这种方式存在一定的局限性,会大大降低飞行控制系统在运行中的稳定性。同时,当飞行任务发生变化后,其中的控制程序都要进行重新修改和烧录,这并不利于对控制系统的扩展。

应用运行ROS 的协同计算机,将其作为主控制器,ArduPilot 是其中的子控制器。前者在运行中的任务是负责执行比较高层次的控制程序,可以结合自身的需求,扩展传感器,从而为无人机的稳定运行和飞行控制等提供决策条件。此外,子系统属于一种比较独立的飞行控制器,只需要执行主系统的决策结果,并不用跟随系统进行扩展,也不用进行多次修改,这种方式能够不断提高整个系统的灵活性,从而为多旋翼自主飞行控制系统的稳定运行提供条件[6]。

5.6 项目内容的创新性

如果在地面站和多旋翼自主飞行控制系统中都植入数据链MAVLink,会发现其系统功能得到了改进,可以实现对五遥的统一。部分学者加强了卡尔曼滤波和四元数算法在其中的有效应用,并且在此基础上还加上了嵌入式ARM 平台,主要是为了实现对飞行姿态的自动化控制。此外,一些学者从同一载具加多种载荷的角度出发,对控制系统进行了研究,实现了任务执行模式之间的转换。在此过程中,还适当引入了地面任务规划软件和数据分析技术等,这不仅在一定程度上强化了系统控制功能,还保障了系统的智能化。

5.7 定位和轨迹控制

利用单目视觉传感器,可以更加准确地获取位置信息,然后在此基础上采用稀疏地图构建估计算方法,实现对坐标传输信息等内容的有效分析,加强对局部数据流的有效控制。同时,应用数据传输点,还可以进行对点的构造,实现对关键词和信息整合等速度的优化,更加快速地还原局部三维地图。由于这种方式具有运算精简及结果精确度高等优势,所以其能够在满足飞行要素的同时,对其轨迹进行准确定位。此外,还需要注意对通信节点和数据接口的设计。主要因为通信节点和数据接口是保障地面主控计算机与机载飞行控制传输的关键部分,更是其中的关键转化接口。再加上通信数据作为获取飞行状态的关键,直接影响着飞行轨迹。因此,在对通信节点和数据内容进行设计时,需要结合不同类型的编码对数据进行接收。

5.8 硬件设计

为了强化多旋翼自主飞行控制系统的性能,在机器操作的基础上,构建了比较完整的软硬件定位控制系统,主要是借助其在多旋翼无人中的自主飞行控制,完成视觉导航。同时,实现对其中硬件的设计,还能够改善原有的GPS 导航环境,避免信号丢失等情况的发生,将其转为单目视觉定位的模拟地图,在此基础上保证多旋翼自主飞行控制系统运行的稳定性,实现高能低耗的效果。

部分学者在对当前的多旋翼飞行控制系统进行分析时,发现其具有通信节点通畅和数据交互迅速等特点,并且其安全性和适应性也较强,可以在比较复杂的环境下,完成无人机侦察及自主飞行等任务。同时,此系统还可以实现对图像数据的有效处理。技术人员在对相关的数据进行完善分析后,可以结合具体的结果,制定完善的飞行路线,保证其可行性,实现对位置的准确控制,从而为多旋翼自主飞行控制系统的稳定运行提供条件。

6 结束语

在中国飞行事业不断发展的背景下,为了进一步保障无人机在飞行中的稳定性,在ROS 系统的基础上,对多旋翼自主飞行控制系统进行了研究。通过对项目内容的创新和任务管理系统的设计,强化了控制系统的自主性,实现了对飞行过程的智能化控制,进一步促进了对多旋翼自主飞行控制系统的升级和改造。

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