帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺設計與實現

2024年2月10日發(作者：西閣)

2022年3月15日第45卷第6期現代電子技術ModernElectronicsTechniqueMar.2022Vol.45No.6引用格式：周祖鵬，睢志成，莫小章，等.帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺設計與實現[J].現代電子技術，2022，45（6）：119?：10.16652/.1004?373x.2022.06.022119帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺設計與實現周祖鵬，睢志成，莫小章，衛歡，鹿浪，王義華541000）（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林摘要：針對帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺在二次開發設計中存在硬件選擇、通信、控制的難題，文中設計一種基于開源飛控PixHawk的分層控制實驗平臺。該實驗平臺主要包括旋翼無人機、機械臂、地面站、通信模塊4部分。其中，無人機姿態與位置的控制由內外環PID算法實現，機械臂的控制基于正運動學在機載計算機樹莓派上實現。PC與機載計算機通過WiFi通信，相比傳統的藍牙不僅增大了通信的覆蓋范圍而且提高了實時通信的流暢度。采用的分層控制相比于解耦控制雖然精度降低，但所需計算資源較少且在實際中更易于實現。實驗結果表明，文中實驗平臺實際運行穩定可靠，具有一定的魯棒性，可為帶機械臂的旋翼無人飛行系統控制算法設計及頂層應用研究實驗平臺的選擇提供參考。關鍵詞：旋翼無人機；機械臂；分層控制；實驗平臺設計；遠程通信；超聲波測距；航線規劃；飛行試驗中圖分類號：TN628?34文獻標識碼：A文章編號：1004?373X（2022）06?0119?06DesignandimplementationofexperimentalplatformforrotorunmannedZHOUZupeng，SUIZhicheng，MOXiaozhang，WEIHuan，LULang，WANGYihuaaerialsystemwithmanipulator（SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，GuilinUniversityofElectronicTechnology，Guilin541000，China）Abstract：Inallusiontotheproblemsofhardwarelection，communicationandcontrolinthecondarydevelopmentanddesignoftheexperimentalplatformofrotorunmannedaerialsystemwithmanipulator，ahierarchicalcontrolexperimentalplaerimentalplatformmainlyincludesfourparts：rotorunmannedaerialvehicle（UAV），manipulator，groundstation，itudeandrealizedontheraspberrypi（airbornecomputer）arisonwiththetraditionalBluetoothpositioncontrolofUAVisrealizedbymeansoftheinnerandouterloopPIDalgorithm，andthecontrolofthemanipulatoriscommunication，thePCcancommunicatewithairbornecomputerthroughWiFi，whichnotonlyincreasthecoverageofhierarchicalcontrolhasloweraccuracy，butreqchcanprovideareferenceforthecontrolalgorithmdesignofrotorunmannedaerialsystemwithmanipulatorandthelectionoftop?onicranging；routeplanning；flightexperimentcommunication，butalsoimprovesthefluencyofreal?arisonwithdecouplingcontrol，theexperimentalresultsshowthattheactualoperationoftheexperimentalplatformisstable，reliableandhasacertainrobustness，Keywords：rotorUAV；manipulator；hierarchicalcontrol；experimentalplatformdesign；remotecommunication；0引言光雷達光流傳感器、深度攝像頭等以豐富其功能。物聯網的快速發展也促進了無人機在商業領域的廣泛應用，目前無人機更多的用于航拍、植保、電力巡檢、環境監測[1]、民用基礎設施[2]等。旋翼無人機作為一種搭載平臺，帶機械臂后采用分開獨立控制和整體控制一直是研究控制的兩個方向。獨立控制方法簡單、易于實現但控制精度低，而整體控制較為復雜但控制精度有所提高。與此同時，一個簡單近年來，帶機械臂的旋翼無人機在科研與商業領域中得到越來越高的關注度。帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺是在旋翼無人機上裝配一個多自由度的機械臂，在此基礎上，亦可安裝其他需要的傳感器，如激收稿日期：2021?07?28修回日期：2021?09?17基金項目：國家自然科學基金項目（61763006）Copyright?博看網 . All Rights Rerved.

120現代電子技術2022年第45卷合理的機械結構也可以減少無人機與機械臂之間的耦合性及控制器的復雜性，從而提升系統的控制性能。在多旋翼無人機結構研究方面，北京理工大學研究了一種新型涵道風扇無人機[3]，印度馬德拉斯理工學院設計了一種螺旋槳有重疊的新型多旋翼無人機[4]，兩者均在提高飛行效率上取得一定效果。蘇黎世聯邦理工學院和米蘭工學院設計了一種易攜帶、體積小、結構上可以收縮的旋翼無人機，滿足了其適應不同任務要求的能力[5]。在機械臂結構研究方面，哈爾濱工業大學胡永麗等設計了仿人體雙臂的無人機載雙臂機器人[6]，首爾國立大學設計了一種可折疊成緊湊尺寸并具有足夠剛度的機械臂[7]。據文獻[8?9]可知，目前國內外帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺研究有以下特點：第一，大多在室內使用外設設備如VICON、OPTITRACK等實現無人機姿態位置解算；第二，算法需要較為復雜的運動學、動力學建模且大多處于仿真階段；第三，不易于實際應用的開展。當然，隨著機載計算機和通信的發展，帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺耦合控制算法因其控制精度高、低延遲等優點，在未來一定會得到更多的關注，但設計一款簡單有效的帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺，用以獨立控制算法的驗證和頂層應用的開發也是十分重要的。四旋翼無人機系統是一個欠驅動系統，其控制的難點在于它有6個自由度，但只有4個驅動器。所以，最終只能控制6個自由度中的4個，另外2個自由度無法控制。本文設計了一種低成本、結構簡單且硬件易于實現的帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺。飛行試驗表明，該平臺結構合理、運行穩定，可為驗證帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺的控制算法和其他頂層應用的開發提供參考。個功能：機械臂控制、超聲波測距和ROS節點的運行。其他適用的機載計算機有Odroid系列、IntelEdison、IntelNUC、GigabyteBrix、NvidiaJetsonTK1等。PC使用VNC（VirtualNetworkConsole）通過WiFi訪問到樹莓派的系統界面，從而實現機械臂的遠程控制以及攝像頭、超聲波的使用。QGC（QGroudControl）通過數傳與飛控通信可實現航線規劃、初始化設置、飛行日志下載與分析、PID參數調整等功能。圖1實驗平臺總體架構圖二次開發需先從GitHub上下載PX4固件源代碼（需匹配所使用硬件版本，PixHawk有不同硬件版本，所需固PixHawk的固件燒錄是一切的基礎，若要做算法的件版本也不同），再替換掉對應的算法源碼，然后編譯、燒錄到PixHawk中。本文配置的開發環境是基于Linux系統的，編譯環境的配置可以參考PX4官網。對于環境配置所需的各種安裝包已經集成到腳本中，網絡順利的情況下很快就可以配置成功。也可以通過其他方法，如地面站QGC或者Matlab實現代碼燒錄。固件燒錄完成后需在地面站上完成傳感器的校準、遙控器校準、電調校準、飛行模式設置、PID調參等前期工作才能實現基本的飛行控制。1.1帶機械臂的四旋翼無人飛行系統實驗平臺實物硬件結構1總體概述帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺總體架構如圖1所示，主要包括四旋翼無人機、三自由度機械臂、板載計算機、地面站、WiFi基站等。該平臺可用于航線規劃、避障、機械臂抓取、無人機底層控制算法的驗證等，同時也可外接其他傳感器，如激光雷達、超聲波、深度相機等用以SLAM（SimultaneousLocalizationAndMapping）、路徑規劃、圖像處理等。無人機底層飛行控上，樹莓派通過TELEM2接口與飛控通信，機械臂與配備控制板的樹莓派通過總線連接。飛行控制板（以下簡稱飛控）PixHawk主要負責飛行的穩定控制和MAVLink的通信，裝有Raspbian系統的機載計算機樹莓派負責三制建立在運行PX4（一個開源飛控項目）固件的PixHawk如圖2所示。四旋翼無人機搭載PixHawk2.4.8版本飛控，使用Raspberry4B作為機載電腦；電池參數為3S、放電倍率為30，容量為3900mA；電調規格為好盈（Hobbywing）XRotor40A；無刷電機規格為朗宇X2216?1100KV；螺旋槳碳纖維材質，外徑9英寸、螺距5英寸；機械臂使用兩個LX?824串行總線舵機和一個LX?1501串行總線舵機；攝像頭為RGB攝像頭；超聲波模塊為US?016。為保證一定的強度和較輕的質量，機架材料為Copyright?博看網 . All Rights Rerved.

第6期周祖鵬，等：帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺設計與實現表1實驗平臺參數參數四旋翼無人機質量/kg機械臂質量/kg機架軸距/mm總高度/mm機械臂臂長/mm末端執行器最大張開距離/mm預計飛行時間/min剩余負載/kg數值1.80.3536.50.14121碳纖維，腳架為PP塑料，機械臂連接部分為鋁合金。圖2實驗平臺實物圖1.2PX4由兩個部分組成：一是飛行控制棧（FlightStack）；二是中間件，可以支持很多類型的機型，包括固定翼、多旋翼以及垂直起降無人機等。PX4的飛行控制棧包含各種無人機的導航和底層控制算法，包括估計器、控制器、混控器三部分。底層姿態、位置的控制是基于內外環PID算法實現，PID參數可根據實際飛行性能來調節以達到較好的控制效果。PixHawk在NUTTX操作系統上運行PX4中間件。布?訂閱的通信機制。PX4的飛控程序架構非常柔性，可被編譯成適用于不同平臺的可執行程序。PixHawk系列主控芯片和I/O芯片均使用的是STM32單片機。不同PixHawk版本在編譯時輸入命令選項不同，本文使用px4fmu?v3或px4io?v2，在編譯時將NUTTX實時操作系統與底層飛控程序編譯為一個整體，最后再燒錄到單片機上。當的處理器，其主要功能包括：處理器BroadcomBCM2711、高性能64位四核處理器、支持4K分辨率雙顯示器、雙頻2.4/5.0GHz無線局域網、藍牙5.0、千兆以太網、USB3.0和POE（PowerOverEthernet）功能?？紤]所需計算資源及成本，實驗平臺采用4GBRAM樹莓派，系統為RaspbianBuster，并安裝有ROSMelodic以供后續二次開發使用。實驗平臺其他參數如表1所示。其中飛行時間與剩余負載參數數值的獲得參考北航可靠性飛行研究組設計的飛行評測算法[10]，輸入相關零件的型號和預設的參數即可獲得無人機相關性能的信息，如懸停時間、飛行時間、抗風等級等。RaspberryPi4提供與普通64位計算機系統性能相PX4中間件主要包括內置傳感器的驅動和基于發PixHawk是PX4飛行堆棧的標準微控制器平臺。除了基本的慣性測量單元、氣壓計、GPS等傳感器，傳感器應用擴展在所設計的帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺上亦可配備其他傳感器，從而擴展其應用開發的范圍。1.2.1光流傳感器利用攝像頭采集圖像的變化來檢測路光流傳感器面的狀態，間接監測無人機的水平飛行狀況[11]，可以使用PixHawk上的I2C接口與其進行連接。光流使用豎直向下的攝像頭和距離傳感器（超聲波、紅外等）進行位置的估計。其主要用于保持無人機水平位置的穩定，以及在室內完成固定高度飛行或懸停，但光流傳感器必須要指向路面。為了使光流傳感器性能穩定的發揮，較好的方法是將其放置在無人機的底部，同時要盡可能地減少機身的震動。1.2.2在旋翼無人機研究中，獲取周圍障礙物和環境的輪激光雷達廓形狀是非常重要的，使用激光雷達可以實現這個目的[12]。利用掃描得到的周圍環境信息，無人機就可以實現避障、SLAM和路徑規劃等。主流的激光雷達基于兩種原理：一種是三角測距法，另一種是飛行時間（TOF）測距法。一般激光雷達通過串口與機載計算機相連接，無人機通過在ROS中運行雷達的驅動，來實現讀取串口的雷達數據和將雷達數據發布到一個主題，這樣計算機上的其他ROS節點就可以通過訂閱該主題來獲取激光雷達數據。1.2.3本實驗平臺可以使用計算機視覺來實現下面的應1）上述提到的光流；計算機視覺用開發：2）外部的視覺運動捕捉系統的使用可以進行無人機在空間上的姿態、位置估計；Copyright?博看網 . All Rights Rerved.

122現代電子技術3）通過機載的視覺處理系統和慣性測量單元，用議的飛控板這三者之間提供通信功能。2.1.32022年第45卷視覺慣性測距法可以估計無人機的三維姿態和速度信息[13]，且當GPS無信號或不可靠時可實現導航。XTDrone是一個基于ROS和PX4的無人機仿真平臺，XTDrone中可以實現SLAM、運動規劃以及多機協同等仿真[14]。另外，在此功能包上驗證過的算法，可以較容易地應用在真實的無人機上。MAVLink協議與無人機通信的Python應用程序。類似DroneKit?Python是一個允許開發人員通過DroneKitMAVSDK，它也可以實現對連接的無人機狀態信息的獲取和對無人機移動的直接控制，其與PX4的兼容性較序，增強人機的交互。2.2ROS是一個開源且面向機器人的元操作系統。它ROS好。另外，DroneKit可以為無人機開發豐富的應用程2生態系統基于PX4的帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺允許通過API（ApplicationProgrammingInterface）使用機載計算機或外部設備對無人機進行控制。API通過MAVLink或RTPS（RealTimePublishSubscribeProtocol）實現與PX4的通信。PX4可以與MAVSDK和ROS等API一起使用，DroneKit也可以單獨使用，但優化不夠不僅提供用戶期望從操作系統獲得的服務（如底層控制、進程之間的消息傳遞和包管理），還提供在多臺計算機上獲取、構建、編寫和運行代碼的工具和庫。ROS在某些層面與Player、YARP、CARMEN、Orca、MOOS和微軟機器人工作室等機器人框架類似。使用ROS最重要的一點是ROS實現了服務上的同步RPC式通信、主題上的異步數據流和參數服務器上的數據存儲。盡管ROS可以實現與實時代碼的集成，但它不是一個實時框架，所以在實際應用時會存在高延遲的缺點。因此，雖然ROS提供了便利的消息通信機制，在進行單無人機的算法開發時具有較高效率，但是它在大規模集群算法以及產品化應用方面存在較大不足。好。其生態系統如圖3所示。以PX4為中心向周圍拓展開，相鄰的模塊間大都有一定的聯系，問號表示以后可能加入這個生態的新模塊。3圖3生態系統圖在環仿真在環仿真是一種快速、簡單、安全的方法，可用來測2.1消息傳輸協議，用于無人機之間或者機載組件的通信，其相關源碼遵循MIT協議，可以無限制地在閉源應用中使用。MAVLink工具鏈可以通過指定的XML文件生成支持多種編程語言（C、C++、Python、Java等）的MAVLink庫。常見的地面站（QGC、MissionPlaner等）、飛控（PX4、APM等）及其他MAVLink系統（MAVROS、MAVSDK等）均是使用生成得到的MAVLink庫進行開發的。2.1.1MAVSDKMAVLink（MicroAirVehicleLink）是一種輕量型的MAVLink試更改前后的PX4代碼。當還沒有實物可以試驗時，使用在環仿真來模擬飛行是一種較好的方法。行堆棧在PC上運行（同一臺PC或同一網絡上的另一臺計算機）；也支持HITL（HardwareInTheLoop）仿真，即使用真實的硬件電路板來運行仿真，從而測試飛行代碼。其中三維仿真軟件Gazebo（其他仿真軟件還有JMAVSim、Flightgear、JSBSim等）通過USB或者串口完成與PixHawk的連接。仿真軟件Gazebo充當在無人機和QGC之間共享MAVLink數據的網關。實際應用中Gazebo通常與ROS一起使用，ROS可以理解成離線模式下無人機自動飛行控制的API工具包。為了驗證PX4固件源代碼（或修改后的）的飛行性能，進行SITL仿真實驗。在模型代碼中將無人機質量、慣性系數等修改為實際無人機的參數。為模擬機械臂給無人機帶來的的干擾，適當增大模型中陀螺儀和加速度計的噪聲，最后在QGC上規劃航線。在航線的規劃中，需要合理設置每個航點的高度、位置等，實驗中設置飛行高度為3m，實驗結果如圖4所示，4個標記點的連PX4支持SITL（SoftwareInTheLoop）仿真，其中飛API的MAVLink庫。該庫提供了一個簡單的API來管MAVSDK是一個帶有C++、iOS、Python和Android理一個或多個無人機，提供對無人機信息和遙測的編程訪問，以及對飛行任務的控制，也可以獲取無人機狀態信息、發送命令控制無人機移動。2.1.2MAVROS是一個ROS功能包，實現了ROS與MAVROSMAVLink之間的集成。其主要作用是為運行ROS的機載計算機、支持MAVLink的地面站和支持MAVLink協Copyright?博看網 . All Rights Rerved.

第6期周祖鵬，等：帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺設計與實現123線圍成的矩形為無人機的預設航線，另外一條為仿真實驗飛行軌跡。由圖4實驗結果可見，除在轉彎處偏差較大，位置誤差在20cm以內，仿真飛行軌跡與預設的航線基本吻合。另外，在某些情況下當計算機的I/O口或者CPU性能不足以支撐仿真以設定的速度運行時，該速度會“自動”降低。在SITL和HITL仿真中，QGC可以連接到一個USB游戲手柄，允許直接控制仿真軟件中的模擬無人機，也可以選擇使用QGC屏幕上的虛擬搖桿來控制。4飛行測試為測試所設計實驗平臺實際飛行性能，進行四旋翼懸停狀態下飛行穩定性及通信可靠性的實驗。測試當日天氣多云，風速1.6～3.3m/s，體感溫度15℃，飛行高度5m。飛行前需完成機體結構的檢查、飛行模式設置、遙控器校準和電池電壓的檢查等。在無人機起飛前，需要通過WiFi先實現PC與樹莓派的通信，然后啟圖4仿真航線圖動攝像頭、設置機械臂初始位置等。PC端通過串口連接數傳實現地面站與PixHawk的通信，準備完成后進行飛行實驗。飛行中機械臂處于偏心靜止的狀態，實驗起降過程良好，懸停時位置誤差在20cm以內，無人機姿態較穩定，且具有一定的魯棒性。飛行測試實物圖如圖7所示。航線仿真飛行過程中無人機實際的俯仰角和翻滾角的變化如圖5所示。可見在SITL仿真中無人機每次轉彎時，俯仰角和翻滾角的變化比較平穩，在懸停狀態下俯仰角變化在2°以內，翻滾角變化在3°以內。無人機z方向位置隨時間的變化如圖6所示，仿真中無人機位置的實際值與理論值誤差在10cm以內。圖7飛行測試實物圖5圖5無人機實際俯仰角和翻滾角變化圖結論本文所設計的帶機械臂的旋翼無人飛行系統實驗平臺使用PixHawk飛控硬件平臺與機載計算機樹莓派，分別實現無人機底層的穩定性飛行控制、機械臂控制、攝像頭和超聲波的使用，簡單有效地解決了帶機械臂的旋翼無人機在二次開發設計的一系列問題。通過仿真與實際實驗得出，該實驗平臺整體結構合理，實時通信延遲較低，飛行穩定性較好且有一定的魯棒性，為帶機械臂的旋翼無人飛行控制算法及頂層應用算法開發的實際驗證提供了參考。隨著未來人工智能的不斷發展，無人系統將有望獲得自主學習和自主創新的能力。以后人工智能可能會部分取代人腦的工作，無人系統將有可能自主完成其控制算法的編寫與更新。圖6無人機z方向位置變化注：本文通訊作者為周祖鵬。Copyright?博看網 . All Rights Rerved.

124參考文獻現代電子技術[8]robotics，2018，3（16）：KHAMSEH2022年第45卷[1]MANFREDAS，MCCABEM，MILLERP，ofunmannedaerialsystemsforenvironmentalmonitoring[J].Remotensing，2018，10（4）：manipulation?aliteraturesurvey[J].Roboticsandautonomoussystems，2018，107：221?235.H，JANABI?SHARIFIF，[9]DINGX，GUOP，XUK，wofaerialmanipulationofsmall?s[J].Chinejournalofaeronautics，2019，32（1）：200?[10]SHIDJ，DAIXH，ZHANGXW，icalperformanceevaluationmethodforelectricmulticopters[J].1337?/ASMEtransactionsonmechatronics，2017，22（3）：[11]MOUSSAM，ZAHRANS，MOSTAFAM，landmassflownsorsforaidingvehiclenavigationinGNSSdeniedenvironment[J].Sensors，2020，20（22）：erspectralfusionforforestmonitoring[2]GREENWOODWW，LYNCHJP，ationsofUAVsincivilinfrastructure[J].Journalofinfrastructuresystems，2019，25（2）：04019002.1?04019002.21.[3]FANW，XIANGC，ing，attitudecontrollerdesignandflightexperimentsofanovelmicro?ducted?fanaircraft[J].Advancesinmechanicalengineering，2018，10（3）：2072045644.[4]NANDAKUMARG，SRINIVASANA，ticalandexperimentalinvestigationsontheeffectofoverlapandofftonthedesignofanovelquadrotorconfiguration，VOOPS[J].Journalofintelligent&roboticsystems，2018，92（3/4）：615?628.[12]SANKEYT，DONAGERJ，MCVAYJ，ARsouthwesternUSA[J].Remotensingofenvironment，2017，[13]SARKARM，HOMAIFARA，EROLBA，：atoolfordata?drivenautonomousUAVflighttesting[J].Journalofintelligent&roboticsystems，2019，98（2）：421?438.195：30?[5]TUNAT，ERTUGOVURS，GOKBELE，anddevelopmentofFOLLY：Alf?foldableandlf?pter[J].Aerospacescienceandtechnology，2020，100：[6]胡永麗.無人機載仿生雙臂機器人設計及運動學、動力學研究[7]KIMSJ，LEEDY，JUNGGP，ami?inspired，lf?lockingroboticarmthatcanbefoldedflat[J].Science[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.[14]XIAOKun，TANShaochang，WANGGuohui，e：acustomizablemulti?rotorUAVssimulationplatform[C]//：IEEE，2020：55?61.4thInternationalConferenceonRoboticsand作者簡介：周祖鵬（1977—），男，廣西桂林人，博士，教授，研究方向為帶機械臂無人機協同控制、仿生機器人和故障診斷。睢志成（1995—），男，河南開封人，碩士研究生，研究方向為帶機械臂無人機的控制。莫小章（1994—），男，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向為帶機械臂無人機的控制。衛鹿歡（1995—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向為帶機械臂無人機的控制。浪（1990—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為仿生機器人。王義華（1994—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向為仿生機器人。Copyright?博看網 . All Rights Rerved.