IARC第7代任務(wù)的機(jī)載計(jì)算解決方案

　　摘要：根據(jù)國(guó)際空中機(jī)器人大賽的第7代任務(wù)以及現(xiàn)場(chǎng)的比賽環(huán)境，本文提出了一種單純依靠機(jī)載設(shè)備的任務(wù)實(shí)現(xiàn)方法，完成了該方法的硬件電路設(shè)計(jì)以及平臺(tái)搭建、軟件算法的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并進(jìn)行了對(duì)地面機(jī)器人的跟蹤實(shí)驗(yàn)。該方法硬件平臺(tái)由STM32微控制器、威盛P910 X86嵌入式工控機(jī)、悟空飛控系統(tǒng)以及外圍傳感器組成。軟件在機(jī)器人操作系統(tǒng)框架下編寫，主要包括定位模塊、目標(biāo)識(shí)別與追蹤控制模塊、高度控制模塊、障礙規(guī)避模塊和驅(qū)趕策略模塊。

　　引言

　　國(guó)際空中機(jī)器人大賽 (International Aerial Robotics Competition, IARC)自1991年首次開展以來(lái)，已經(jīng)成為當(dāng)今歷史最長(zhǎng)、最具挑戰(zhàn)性的無(wú)人機(jī)大賽之一。該賽事在23年的歷程中，先后完成了6代任務(wù)，2014年進(jìn)入第7代任務(wù)。比賽目的是推動(dòng)無(wú)人機(jī)技術(shù)向前發(fā)展。

　　當(dāng)前的第7代任務(wù)需要無(wú)人機(jī)驅(qū)趕地面機(jī)器人越過指定邊界，同時(shí)還要躲避障礙物并滿足飛行高度和邊界限制。由于比賽場(chǎng)地是邊長(zhǎng)為20米的正方形區(qū)域，如圖1所示，且無(wú)人機(jī)只能在沒有先驗(yàn)地圖的情況下完成比賽，所以成熟的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simutaneously Locating and Mapping, SLAM)方法^[1-2]是不適用的，必須重新設(shè)計(jì)新的實(shí)現(xiàn)方法。

　　多旋翼無(wú)人機(jī)是一種多軸飛行器，有多個(gè)旋翼來(lái)懸停、維持姿態(tài)及平飛。和固定翼飛機(jī)不同，它通過旋翼提供的推力使飛機(jī)升空，其旋翼大小相同，分布位置接近對(duì)稱，比較常見的是四旋翼和六旋翼。簡(jiǎn)單來(lái)說，通過調(diào)整不同旋翼之間的相對(duì)速度來(lái)調(diào)節(jié)不同位置的推力，并克服每個(gè)旋翼之間的反扭力矩，就可以控制飛機(jī)維持姿態(tài)、或完成各種機(jī)動(dòng)飛行。出于比賽對(duì)飛行器尺寸的限制以及平臺(tái)的成熟度考慮，這里選用四旋翼作為無(wú)人機(jī)平臺(tái)，搭建的無(wú)人機(jī)平臺(tái)如圖2所示。

　　第7代任務(wù)的技術(shù)重點(diǎn)是移動(dòng)目標(biāo)跟蹤與降落、移動(dòng)障礙物規(guī)避和驅(qū)趕策略制定。這些任務(wù)的完成需要激光雷達(dá)、攝像頭，超聲波和慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)等傳感器，同時(shí)在軟件層面需要多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行。這對(duì)編程提出了很大的挑戰(zhàn)，為了方便程序的多任務(wù)管理、程序復(fù)用和多任務(wù)通信，引入機(jī)器人操作系統(tǒng)(Robotic Operating System，ROS)框架。ROS是基于Linux，針對(duì)機(jī)器人任務(wù)而深度定制的操作系統(tǒng)^[3]。ROS以其節(jié)點(diǎn)化的組織結(jié)構(gòu)和多編程語(yǔ)言的支持使程序員能更加專注于算法的實(shí)現(xiàn)，ROS內(nèi)部有專門的節(jié)點(diǎn)管理器負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的通信，還能對(duì)同一個(gè)WIFI網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。考慮到比賽現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，將圖像傳回地面站進(jìn)行計(jì)算存在傳輸延時(shí)以及連接中斷的風(fēng)險(xiǎn)，將計(jì)算主要放在無(wú)人機(jī)機(jī)載設(shè)備上是一個(gè)可靠的選擇，地面站則負(fù)責(zé)一些飛行狀態(tài)的顯示。

　　1 硬件平臺(tái)

　　平臺(tái)采用XAircraft X650 Pro碳纖可折疊四旋翼機(jī)架，TMOTOR 3110電機(jī)和配套電調(diào)。底層飛行器姿態(tài)控制選用悟空飛控系統(tǒng)，遙控器選用天地飛7通道遙控器，使用STM32做手自動(dòng)切換。上層部分選用X86嵌入式微控制器負(fù)責(zé)圖像獲取、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取、控制指令計(jì)算和飛行數(shù)據(jù)反饋，圖3是飛行器的整體框架，由于各個(gè)模塊所需的電壓不同，這里的供電部分采用虛線連接，下面具體介紹各個(gè)硬件模塊。

　　1.1 手動(dòng)自動(dòng)切換

　　由于悟空飛控系統(tǒng)整體是不開源的，不能獲得其姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，只能通過改變其輸入信號(hào)來(lái)改變其飛行方向，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)接收機(jī)信號(hào)是周期為21ms的PWM信號(hào)。為了滿足程序自動(dòng)控制和遙控器手動(dòng)控制的切換，這里引入STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)控制的切換和模擬接收機(jī)信號(hào)。接收機(jī)5路信號(hào)即油門、俯仰、偏航、橫滾和手動(dòng)自動(dòng)切換，STM32的5個(gè)定時(shí)器負(fù)責(zé)捕捉5路接收機(jī)信號(hào)，1個(gè)定時(shí)產(chǎn)生4路周期相同的PWM信號(hào)來(lái)模擬實(shí)際的接收機(jī)信號(hào)并輸出給悟空飛控，具體見圖4。

　　1.2 視覺部分

　　四旋翼的視覺部分主要由攝像頭、嵌入式工控機(jī)組成，攝像頭選用羅技HD720P廣角USB攝像頭。視覺算法需要一定的硬件計(jì)算資源，考慮到ARM架構(gòu)的控制板的計(jì)算能力有限且存在交叉編譯的問題，這里選用X86架構(gòu)的工控機(jī)作為機(jī)載計(jì)算平臺(tái)，參考市面上的一些微工控機(jī)以及尺寸功耗的考慮，最終選用威盛P910工控機(jī)。