作者：葉長(zhǎng)春;王鐘雷;韓滔;朱疆成

引言

國(guó)際空中機(jī)器人大賽 （International Aerial Robotics Competition， IARC）自1991年首次開(kāi)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(guò)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(méi)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(guò)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(chēng)，比較常見(jiàn)的是四旋翼和六旋翼。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通過(guò)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(zhuān)注于算法的實(shí)現(xiàn)，ROS內(nèi)部有專(zhuān)門(mén)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?？紤]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(kāi)源的，不能獲得其姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，只能通過(guò)改變其輸入信號(hào)來(lái)改變其飛行方向，經(jīng)過(guò)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(mén)、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(jiàn)圖4。

1.2 視覺(jué)部分

四旋翼的視覺(jué)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(jué)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(wèn)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)。

1.3 避障部分

避障部分主要由激光雷達(dá)組成，激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。這里選用日本北陽(yáng)株式會(huì)社產(chǎn)的Hokuyo UTM-30LX激光雷達(dá)，如圖5所示，此款雷達(dá)有270度的測(cè)量范圍和30米的測(cè)試距離，總重270g，滿足飛行器避障模塊的要求。

2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)主要可以分為4個(gè)部分：定位、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、高度控制和避障。幾個(gè)模塊之間是互相獨(dú)立又互相聯(lián)系的，整個(gè)控制回路最后數(shù)據(jù)融合輸出到飛行器硬件平臺(tái)。在ROS框架下有很多開(kāi)源的包可以利用，各個(gè)軟件模塊都在ROS下實(shí)現(xiàn)。軟件整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，下面分塊介紹逐個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)。

2.1 TLD算法

TLD（Tracking-Learning-Detecting）由英國(guó)薩利大學(xué)的Zdenek Kalal提出［5］。TLD是一種穩(wěn)定、魯棒、可靠的長(zhǎng)時(shí)間跟蹤算法。該算法研究的出發(fā)點(diǎn)是單獨(dú)地運(yùn)用現(xiàn)有跟蹤算法或檢測(cè)算法都無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間地跟蹤目標(biāo)。Kalal創(chuàng)造性地將跟蹤算法和檢測(cè)算法相結(jié)合來(lái)解決跟蹤目標(biāo)在被跟蹤過(guò)程中發(fā)生的形變、部分遮擋等問(wèn)題，同時(shí)，通過(guò)一種改進(jìn)的在線學(xué)習(xí)機(jī)制不斷更新跟蹤模塊的“顯著特征點(diǎn)”和檢測(cè)模塊的目標(biāo)模型及相關(guān)參數(shù)，從而使得跟蹤效果更加理想。

在此系統(tǒng)中，為了保持好的追蹤效果。根據(jù)地面機(jī)器人在圖像中的位置，引入一個(gè)PD控制器，使飛行器保持在地面機(jī)器人上方?？刂破鞯妮斎胧菙z像頭畫(huà)面中央的像素位置，反饋值是實(shí)際捕捉到的地面機(jī)器人在圖像中的位置，控制框圖如圖7所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整PD參數(shù)而使地面機(jī)器人保持在圖像的中央。圖8顯示了飛行器識(shí)別出的地面機(jī)器人，圖9顯示飛行器正在跟蹤地面機(jī)器人。

2.2 高度控制算法

根據(jù)實(shí)際飛行器實(shí)驗(yàn)和悟空控制系統(tǒng)的說(shuō)明［6］，測(cè)試到油門(mén)信號(hào)與飛行器的實(shí)際升降有對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如圖10所示。油門(mén)PWM信號(hào)占空比分子在1000到2000之間變化，當(dāng)在1450到1550之間時(shí)，悟空控制系統(tǒng)會(huì)使飛行器會(huì)自動(dòng)鎖定當(dāng)前高度，根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)控制器，當(dāng)高度低于給定值將占空比分子設(shè)置成1580，這樣飛行器會(huì)緩緩上升。當(dāng)高度高于給定值時(shí)設(shè)成1430，這樣飛行器緩緩下降。并設(shè)置實(shí)際值在給定值上下5cm不作控制，即自動(dòng)鎖定當(dāng)前高度。如圖11，實(shí)驗(yàn)時(shí)給定值在0.5m—1m—1.5m切換時(shí)，飛行器能及時(shí)達(dá)到給定值。在打舵的時(shí)候，飛行器高度會(huì)有所改變，該控制器也能及時(shí)調(diào)整達(dá)到設(shè)定高度。圖11中直線表示給定高度，綠線表示飛行器的實(shí)際高度，在時(shí)間10s附近開(kāi)啟高度控制器。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于國(guó)際空中機(jī)器人大賽第7代任務(wù)，本文提出了一種機(jī)載設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法，并詳細(xì)介紹了該方法的硬件平臺(tái)和軟件模塊。此方法完成了定位、高度控制、障礙物規(guī)避和單一地面機(jī)器人識(shí)別與跟蹤。飛行器續(xù)航能力有限且比賽時(shí)間有一定要求，所以要完成比賽a階段的追趕目標(biāo)，上層的策略模塊還需要進(jìn)一步完善。比賽的b階段增加了飛行器的同臺(tái)博弈，因此還需要更多的實(shí)驗(yàn)以增加系統(tǒng)的魯棒性。

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