IARC第7代任務的機載計算解決方案

　　摘要：根據國際空中機器人大賽的第7代任務以及現(xiàn)場的比賽環(huán)境，本文提出了一種單純依靠機載設備的任務實現(xiàn)方法，完成了該方法的硬件電路設計以及平臺搭建、軟件算法的設計與調試，并進行了對地面機器人的跟蹤實驗。該方法硬件平臺由STM32微控制器、威盛P910 X86嵌入式工控機、悟空飛控系統(tǒng)以及外圍傳感器組成。軟件在機器人操作系統(tǒng)框架下編寫，主要包括定位模塊、目標識別與追蹤控制模塊、高度控制模塊、障礙規(guī)避模塊和驅趕策略模塊。

　　引言

　　國際空中機器人大賽 (International Aerial Robotics Competition, IARC)自1991年首次開展以來，已經成為當今歷史最長、最具挑戰(zhàn)性的無人機大賽之一。該賽事在23年的歷程中，先后完成了6代任務，2014年進入第7代任務。比賽目的是推動無人機技術向前發(fā)展。

　　當前的第7代任務需要無人機驅趕地面機器人越過指定邊界，同時還要躲避障礙物并滿足飛行高度和邊界限制。由于比賽場地是邊長為20米的正方形區(qū)域，如圖1所示，且無人機只能在沒有先驗地圖的情況下完成比賽，所以成熟的無人機實時定位與地圖構建(Simutaneously Locating and Mapping, SLAM)方法^[1-2]是不適用的，必須重新設計新的實現(xiàn)方法。

　　多旋翼無人機是一種多軸飛行器，有多個旋翼來懸停、維持姿態(tài)及平飛。和固定翼飛機不同，它通過旋翼提供的推力使飛機升空，其旋翼大小相同，分布位置接近對稱，比較常見的是四旋翼和六旋翼。簡單來說，通過調整不同旋翼之間的相對速度來調節(jié)不同位置的推力，并克服每個旋翼之間的反扭力矩，就可以控制飛機維持姿態(tài)、或完成各種機動飛行。出于比賽對飛行器尺寸的限制以及平臺的成熟度考慮，這里選用四旋翼作為無人機平臺，搭建的無人機平臺如圖2所示。

　　第7代任務的技術重點是移動目標跟蹤與降落、移動障礙物規(guī)避和驅趕策略制定。這些任務的完成需要激光雷達、攝像頭，超聲波和慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)等傳感器，同時在軟件層面需要多任務同時運行。這對編程提出了很大的挑戰(zhàn)，為了方便程序的多任務管理、程序復用和多任務通信，引入機器人操作系統(tǒng)(Robotic Operating System，ROS)框架。ROS是基于Linux，針對機器人任務而深度定制的操作系統(tǒng)^[3]。ROS以其節(jié)點化的組織結構和多編程語言的支持使程序員能更加專注于算法的實現(xiàn)，ROS內部有專門的節(jié)點管理器負責節(jié)點間的通信，還能對同一個WIFI網段的節(jié)點進行管理?？紤]到比賽現(xiàn)場復雜的電磁環(huán)境，將圖像傳回地面站進行計算存在傳輸延時以及連接中斷的風險，將計算主要放在無人機機載設備上是一個可靠的選擇，地面站則負責一些飛行狀態(tài)的顯示。

　　1 硬件平臺

　　平臺采用XAircraft X650 Pro碳纖可折疊四旋翼機架，TMOTOR 3110電機和配套電調。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做手自動切換。上層部分選用X86嵌入式微控制器負責圖像獲取、激光雷達數據獲取、控制指令計算和飛行數據反饋，圖3是飛行器的整體框架，由于各個模塊所需的電壓不同，這里的供電部分采用虛線連接，下面具體介紹各個硬件模塊。

　　1.1 手動自動切換

　　由于悟空飛控系統(tǒng)整體是不開源的，不能獲得其姿態(tài)解算數據，只能通過改變其輸入信號來改變其飛行方向，經過測試發(fā)現(xiàn)接收機信號是周期為21ms的PWM信號。為了滿足程序自動控制和遙控器手動控制的切換，這里引入STM32單片機實現(xiàn)手/自動控制的切換和模擬接收機信號。接收機5路信號即油門、俯仰、偏航、橫滾和手動自動切換，STM32的5個定時器負責捕捉5路接收機信號，1個定時產生4路周期相同的PWM信號來模擬實際的接收機信號并輸出給悟空飛控，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算資源，考慮到ARM架構的控制板的計算能力有限且存在交叉編譯的問題，這里選用X86架構的工控機作為機載計算平臺，參考市面上的一些微工控機以及尺寸功耗的考慮，最終選用威盛P910工控機。