一種多旋翼無人機系統(tǒng)的設(shè)計

一種多旋翼無人機系統(tǒng)的設(shè)計

0面向機控的地面控制平臺系統(tǒng)近年來，小型多翼無人機在城市測量、航空攝影和災(zāi)難處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中航空攝影是一個使用最廣泛的領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者也對此項技術(shù)進行了研究并有部分應(yīng)用。國內(nèi)華南理工大學(xué)的余寶意等人為準(zhǔn)確控制無人機和相機在指定的位置以指定的姿態(tài)拍攝場景或目標(biāo),并實現(xiàn)對航拍過程進行監(jiān)控,本文設(shè)計了一款面向航拍的地面控制平臺系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)是由位姿控制軟件和地面站平臺組成。根據(jù)規(guī)劃生成的航點文件對無人機和相機的位姿提供遠程引導(dǎo)控制。該系統(tǒng)利用C++編寫,平臺和無人機間的通訊使用MAV-Link通信協(xié)議,數(shù)據(jù)的傳輸方式采用無連接的傳輸層UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議。平臺可發(fā)送單個位姿或包含多個位姿信息的航點文本,并且具備任務(wù)顯示、無人機和相機的位姿顯示、位姿完成狀態(tài)顯示等功能。平臺操作簡單,控制效果和魯棒性較強。1地面控制系統(tǒng)該系統(tǒng)硬件組成如圖1所示,包括地面控制系統(tǒng)、通訊數(shù)傳、無人機機身、飛行控制器、云臺和相機、遙控器。其中,無人機攜帶云臺及相機共同組成執(zhí)行機構(gòu)在飛行控制器的控制下完成指定的位置和姿態(tài),拍攝目標(biāo)圖像;地面控制系統(tǒng)包含位姿控制平臺和地面站平臺,兩個平臺間采用UDP的方式雙向傳輸航點數(shù)據(jù),然后地面控制系統(tǒng)將航點數(shù)據(jù)以MAVlink消息幀的方式通過無線數(shù)傳發(fā)送給飛行控制器;最后飛行控制器引導(dǎo)無人機飛行和相機角度的變化。無人機位置信息的確定是由GPS系統(tǒng)提供,相機姿態(tài)的獲取通過相機云臺上的陀螺儀得到。2外來人車影像的拍攝控制對相機拍攝圖像時位姿的控制,本質(zhì)是控制相機在空中的6個自由度。由于相機是固定懸掛在無人機的正下方,無人機的位置和航向角就是相機的位置和航向角,因此控制無人機的位置(包括經(jīng)度、緯度、高度)、航向角和相機本身的俯仰角、橫滾角,即可實現(xiàn)對相機的6個自由度的控制。航拍中相機位姿的控制,要求拍攝圖像時相機具有較高的位置和姿態(tài)精度,同時避免由于信號干擾導(dǎo)致的航點信息丟失而造成的漏拍。另外,因為系統(tǒng)信號傳輸?shù)难訒r對最終拍攝圖像時的相機位姿精度沒有影響,所以系統(tǒng)控制的實時性暫不考慮。2.1響應(yīng)面設(shè)計為6個月內(nèi)、多政府公規(guī)劃的航點文件中每條指令都包含相機的6個自由度參數(shù),對于航點文件中的每條指令,采用3個MAVLink消息幀來實現(xiàn)。消息幀以MAV_CMD指令的形式發(fā)送,這些指令可以立即被執(zhí)行。如表1所示,設(shè)計的3個消息幀的模式編號為16、115、183,可分別控制無人機位置、無人機航向角、相機俯仰角和橫滾角。其中16代表航點模式,在其余的7個參數(shù)中可設(shè)置經(jīng)過航路點時的懸停時間、觸發(fā)半徑和經(jīng)緯高用于控制無人機位置;115表示航向模式,可設(shè)置航向角度、轉(zhuǎn)向角速率、轉(zhuǎn)向方式(順/逆時針)、角度方式(相對/絕對角度),用于控制無人機的航向;183代表舵機控制模式,可控制云臺俯仰、橫滾。2.2控制方案設(shè)計為了能夠根據(jù)航點文件中的所有位姿自動控制相機完成航拍,并減小飛行過程中的位置偏離,設(shè)計控制系統(tǒng)原理如圖2所示。路徑規(guī)劃程序所生成的航點文件是由包含n個航路點wp信息的指令構(gòu)成,位姿控制平臺在執(zhí)行航點文件時會在連接第i個航點wp3航點控制系統(tǒng)組成文中相機位姿控制是通過地面控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的,該系統(tǒng)是由安裝在PC機上的位姿控制平臺和地面站平臺兩部分組成。地面控制系統(tǒng)組成關(guān)系如圖3所示,位姿控制平臺用于將航點指令發(fā)送給地面站平臺并實時接收和顯示回傳的當(dāng)前位姿、任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。地面站平臺作為聯(lián)系位姿控制平臺和無人機及相機的橋梁,將控制終端位姿控制平臺的航點位姿指令轉(zhuǎn)發(fā)給無人機飛行控制器。位姿控制平臺和地面站平臺兩者之間采用TCP/IP通訊(UDP),可通過網(wǎng)絡(luò)外擴多個遠程控制終端。3.1圖像顯示和操作實現(xiàn)地面站平臺如圖4所示,主要分為飛行數(shù)據(jù)、綜合顯示以及地圖航跡顯示3個區(qū)域。飛行數(shù)據(jù)區(qū)包含電壓電流、飛行模式狀態(tài)、信號強度、可連接GPS衛(wèi)星數(shù)等系統(tǒng)參數(shù),以及機身姿態(tài)、空速、氣壓、溫度等傳感器采集的數(shù)據(jù)。在飛行數(shù)據(jù)區(qū)域單擊鼠標(biāo)左鍵可以切換到圖像視頻顯示。綜合顯示和控制區(qū)由任務(wù)、儀表、操縱、連接、計劃和設(shè)置6個切換頁面組成;任務(wù)頁面可以按鈕方式直接切換飛行模式,或執(zhí)行位姿控制平臺轉(zhuǎn)發(fā)的指令;儀表頁面用模擬儀表顯示空速、航向、高度、地速、飛行器和原點的相對位置、升降速率;操縱頁面進行舵機測試及控制模式切換,系統(tǒng)支持軟件滑塊、標(biāo)準(zhǔn)搖桿、無線遙控器3種操縱模式;聯(lián)接部分支持6個串口的設(shè)置;計劃頁面可顯示已經(jīng)編制好的或陸續(xù)傳送的飛行計劃;設(shè)置頁面系統(tǒng)所有設(shè)置匯集于此,包含傳感器校準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)、內(nèi)外環(huán)PID參數(shù)等設(shè)置功能。地圖和航跡顯示區(qū)域提供離線地圖的顯示功能,同時可實時在地圖上顯示無人機的飛行航跡,便于更加直接的觀察。3.2位姿顯示模塊位姿控制平臺的開發(fā)基于Windows7操作系統(tǒng),使用的集成開發(fā)環(huán)境為VisualStudio2010,應(yīng)用程序框架使用的是VC++/MFC。平臺設(shè)計分為5個模塊:IP設(shè)置模塊、飛行位姿顯示、航點信息模塊、航點執(zhí)行進度和命令操作模塊。位姿控制平臺的界面是基于MFC的對話框,在此基礎(chǔ)上添加編輯控件、按鈕控件、進程控件和圖片控件進行開發(fā),平臺界面如圖5。1)IP和端口設(shè)定工作前首先設(shè)定位姿控制平臺和地面站平臺的IP和端口(Port)。每臺計算機都有唯一的IP,每臺計算機上的應(yīng)用程序都有獨立的端口,根據(jù)IP和端口(Port)就可找到對應(yīng)的應(yīng)用進行通訊。地面站平臺默認的IP為127.0.0.1,端口為49005,在同一計算機上位姿控制平臺IP默認為127.0.0.1,端口為491052)位姿顯示模塊在連接地面站平臺后,位姿控制平臺即可接收到無人機數(shù)據(jù),其中包含飛行器類型、電池狀況、機身經(jīng)緯高、飛行速度加速度等機身狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了方便操作者觀察無人機當(dāng)前位姿和姿態(tài)的變化情況,將無人機的經(jīng)緯度、海拔高度和相機的俯仰角度等被控量著重顯示,將機身位姿變化情況用曲線實時顯示,并對相機的俯仰角度使用儀表盤直觀模擬。3)航點信息點擊操作模塊的加載任務(wù)文件按鈕載入規(guī)劃好的航點文件,航點信息區(qū)以表格形式順序列出航點信息。若要修改某單個航點位姿,可通過修改航點信息文件本身或在列表下方編輯框中按格式輸入該航點信息。執(zhí)行任務(wù)過程中任務(wù)進度條實時更新,供操作者獲取當(dāng)前圖像拍攝的進度。同時記錄下當(dāng)前進度,當(dāng)出現(xiàn)意外情況造成拍攝中斷時可從中斷處繼續(xù)執(zhí)行。4)命令操作命令操作區(qū)用于下達命令和選擇相機控制模式。操作選項包括加載任務(wù)文件、執(zhí)行任務(wù)、結(jié)束任務(wù)、云臺模式調(diào)整、機頭和云臺手動調(diào)整功能。加載任務(wù)文件:從本地選擇規(guī)劃航點文件;執(zhí)行任務(wù):平臺自動控制無人機執(zhí)行航點位姿指令;結(jié)束任務(wù):結(jié)束拍攝并自動返航;位置模式:設(shè)置云臺動作模式為位置模式,在此模式下只能調(diào)整云臺在指定位置;速率模式:設(shè)置云臺動作模式為速率模式,在此模式下只能調(diào)整云臺在某速率下的角度。3.3位姿信息的添加平臺的操作流程如圖6所示,首先運行地面站平臺連接無人機,然后運行位姿控制平臺。選擇合適的IP和端口建立起位姿控制平臺和地面站平臺之間的連接,下一步加載位姿信息并發(fā)送,程序的主線程中包含一個定時器負責(zé)定時檢查任務(wù)的完成狀態(tài),將反饋的當(dāng)前位姿信息同指定的目標(biāo)位姿進行比較,如果目標(biāo)位姿完成則自動發(fā)送下一位姿數(shù)據(jù)報,否則繼續(xù)重復(fù)位姿引導(dǎo)控制。分線程用于實時接收返回的無人機當(dāng)前緯度、經(jīng)度、高度、航向和相機俯仰、橫滾信息,并以文字的形式實時顯示于界面,然后繪制姿態(tài)變化曲線,地面站平臺會記錄和顯示飛行航跡。4機械航點規(guī)劃為了驗證相機位姿控制方法和地面控制系統(tǒng)的可行性,本文對某巨型貔貅銅像進行了航拍實驗。圖7是規(guī)劃的包含6個相機位姿