基于Paparazzi Lisa /M 2.0的無人機自主飛行設(shè)計

王俊明，曹科才，肖 斌，汪蓉蓉

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210046)

基于Paparazzi Lisa /M 2.0的無人機自主飛行設(shè)計

王俊明，曹科才，肖 斌，汪蓉蓉

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210046)

四旋翼無人機是一種具有運動性能好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)新穎、環(huán)境友好(相對不易對周圍造成傷害)等特點的無人機,在軍事、民用及科研方面都具有很大的價值。Paparazzi是一個軟硬件全開源的項目，始于2003年，旨在建立一個強大、自主的自動駕駛系統(tǒng)。文中首先介紹了Paparazzi Lisa/M 2.0與地面控制系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上通過實際制作四旋翼無人機系統(tǒng)，針對分析研發(fā)過程中需要注意的問題以及關(guān)鍵步驟，成功制作了四旋翼無人機，并且完成了一系列的分析與測試。利用地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航控制能讓四旋翼無人機完成自主導(dǎo)航、懸停和降落等一系列任務(wù)，并詳細學(xué)習(xí)了路徑規(guī)劃控制的設(shè)計與仿真。通過仿真結(jié)果顯示，Paparazzi Lisa/M 2.0與地面控制系統(tǒng)結(jié)合對四旋翼無人機進行路徑規(guī)劃控制的有效性和準(zhǔn)確度，可以用于四旋翼無人機的路徑規(guī)劃指揮。

無人機；數(shù)據(jù)傳輸；自主飛行；路徑規(guī)劃

0 引 言

Paparazzi[1]是國外的一個開源項目，它以相對完美的軟硬件系統(tǒng)和地面控制平臺，獲得國內(nèi)外飛行器愛好者的一致喜愛和追捧。其硬件平臺是以STM32微控制器為核心，配合多種傳感器,如加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計等，一些新的傳感器(如視覺傳感器[2-5])也可以進行嘗試。如此良好的硬件條件使其具有更多的接口(拓展功能強大)和更強的兼容性(兼容固定翼和多軸飛行器)；它的飛行算法在PID控制算法[6-7]的基礎(chǔ)上，引入適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)算法[8-9]，使得無人機的穩(wěn)定性以及對外部干擾的適應(yīng)性大大增強；其通過地面控制站對無人機進行實時監(jiān)測和在線控制，使得路徑規(guī)劃和自主飛行得以實現(xiàn)。

Paparazzi在業(yè)界有較高的知名度并曾摘取多項榮譽。在2013年9月結(jié)束的國際微型飛行器會議和飛行比賽(IMAV 2013)中,Paparazzi驅(qū)動的飛機獲得戶外組第一名,室內(nèi)組操作第一名,室內(nèi)自主控制第三名的成績。其中,用到了最新的只有2.8 g重量的Lisa/S飛控板?？梢奝aparazzi在業(yè)內(nèi)應(yīng)用的廣泛程度及其實力。

Paparazzi項目是無人機方面一個開放的大知識庫,無論個人、公司、研究機構(gòu)都能從中獲益良多。未來，相信Paparazzi在無人機領(lǐng)域還會發(fā)揮更大的影響力。

1 地面站控制平臺

地面控制平臺在無人機控制系統(tǒng)中占據(jù)著非常重要的位置。利用地面站可以對無人機進行實時監(jiān)控和在線控制,實現(xiàn)在有限的區(qū)域垂直起降，穩(wěn)定的盤旋以及精確目標(biāo)移動飛行控制[10]。同時，將路徑規(guī)劃算法[11]在地面站運行，減輕了飛行控制系統(tǒng)的運算負(fù)擔(dān)，提高了無人機控制系統(tǒng)的實時性。

地面站主界面分為好幾個面板：

設(shè)置(Configuration)面板可以通過A/C菜單添加或者修改已經(jīng)配置好的文件為新飛行器的配置文件。

編譯(Building)面板包括編譯(Build)和下載程序(Upload)。

運行(Execution)面板中提供了一系列的預(yù)設(shè)和用戶對話。比如可用在模擬選項中運行Server、GCS和模擬器。

1.1 模擬飛行

為了便于場地操作以及熟悉操作流程，事先進行模擬飛行是必不可少的環(huán)節(jié)。

(1)在A/C組合框中，選擇目標(biāo)飛行器(Quad_Lisa M2.0)。

(2)在Target組合框中，選擇nps,并點擊Build按鈕。

Paparazzi目前提供三個不同的模擬器的飛行動力模型(Flight Dynamic Model,FDM)的后臺，即：sim、jsbsim、nps。sim和jsbsim多用于固定翼飛行器，而nps為旋翼機提供，因此這里選擇它。另外,前述FDM是一組數(shù)學(xué)方程，用于計算作用在模擬飛機上的物理量，如推力、升力和阻力。

(3)在Session組合框中，選擇simulation,點擊Execute按鈕。彈出GCS窗口，此時在Paparazzi Center中，顯示當(dāng)前運行的代理進程(GCS,服務(wù)器和模擬器)。

(4)飛行任務(wù)可以提前下載地圖，在連接GPS的情況下可直接加載地圖，模擬飛行也沒有用到地圖的必要，因此省略此步驟。

(5)接下來在GCS中進行任務(wù)模擬飛行的操作就和后面的真實飛行一樣了。經(jīng)過GPS的初始化階段(10 s左右)，航線位于Holding Point區(qū)域。點擊Takeoff轉(zhuǎn)換到起飛區(qū)，根據(jù)模擬需要的飛行計劃，進行飛行點設(shè)置，路徑規(guī)劃，即可開始飛行任務(wù)。

(6)模擬飛行期間所用的運行代理可以通過Session菜單被保存為一個會話，以備下次運行。飛行任務(wù)結(jié)束，點擊Stop/Remove process，然后關(guān)閉Paparazzi Center。

1.2 場地飛行

在做好相應(yīng)的飛行準(zhǔn)備后可以進行飛行實驗。

切換Radio Control到Auto_2(自主飛行)模式，無人機起飛。在Paparazzi Center面板的PFD窗口可以觀察飛行姿態(tài)，Map區(qū)域?qū)崟r顯示飛行路線，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。如果遇到突發(fā)事件，可快速做出反應(yīng)。

其中，飛行計劃中的HOME模式是一種錯誤保護模式。當(dāng)正常飛航線被中止時，飛行器以一個安全高度圍繞HOME路徑點飛行。這種模式可由以下事件觸發(fā)：

(1)在MANUAL或者AUTO_1模式時，飛行器丟失了Radio Control的上行連接。

(2)距離HOME路徑點的距離超出飛行計劃中設(shè)置的閾值(在GCS地圖中用一個圓圈表示)。

1.3 實時繪圖

在Paparazzi Center的Tools菜單中，啟動一個報文代理。這個代理將顯示所有飛行器送出的報文。

在Paparazzi Center的Tools菜單中，啟動一個Real-time plotter代理。

拖動Messages窗口的BAT報文的Voltage數(shù)據(jù)域到Real-time plotter代理中。一條數(shù)據(jù)曲線被繪制出來并周期性地向左滾動。

2 文中主要工作

2.1 硬件設(shè)計

筆者制作的四旋翼無人機基于Paparazzi Lisa/M 2.0，這是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，包括電子芯片、各種傳感器模塊[12]、GPS模塊、導(dǎo)航算法[13]、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等設(shè)備。要想順利地使用該系統(tǒng)，首先要正確搭建硬件平臺。下面先就Paparazzi Lisa/M 2.0硬件設(shè)計進行介紹。

Paparazzi Lisa/M 2.0硬件接口布局如圖1所示。

Paparazzi Lisa /M 2.0的接口連接不多做介紹，這里主要介紹Paparazzi Lisa /M 2.0與地面站操作之間的數(shù)據(jù)傳輸，即數(shù)傳模塊。

數(shù)傳模塊可供選擇的有很多，距離較近可以嘗試3DR，距離較遠的有Xbee[14]。在實際使用中，可以根據(jù)實際情況來進行選擇，目前市面上的支持波特率為57 600的數(shù)傳也可以試著使用。在地面站上也可以支持9 600的波特率，只是根據(jù)官網(wǎng)上的說明，9 600的波特率速度會慢一點。

圖1 PPZ飛控的接線圖

在筆者制作的無人機中，經(jīng)過重重考慮，最后選擇的是RDF900數(shù)傳電臺915M遠程數(shù)傳Remote 900模塊，在數(shù)次試飛實驗中均具有較好的表現(xiàn)。

確定了選擇的數(shù)傳模塊之后，接下來要做的就是連接硬件，即將Paparazzi Lisa/M 2.0與多旋翼無人機進行連接。

圖2為Paparazzi Lisa/M 2.0與GPS、接收機、數(shù)傳模塊等的連接方法。因為文中著重討論的是數(shù)傳模塊，下面將數(shù)傳模塊的連接方式做詳細論述。

圖2 PPZ飛控與多旋翼無人機連接方式

Paparazzi Lisa/M 2.0是通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇谕孛嬲具B接(通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇谶B接電腦)。數(shù)傳模塊為成對發(fā)揮作用，一個連接在PPZ上，另一個連接在PC機上作連通地面站之用，兩個模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸達到通信的作用。

連接方式如圖3所示。

數(shù)傳模塊與Paparazzi Lisa/M 2.0相連的方式中，數(shù)傳模塊有RX、TX、+3.3 V和GND四個接口。RX為輸入接口，與數(shù)傳的TX接口相連；TX為輸出接口，與數(shù)傳的RX接口相連，以使得數(shù)據(jù)能夠順利進行傳輸。

圖3 數(shù)傳模塊與PPZ的連接方式

與PC相連的時候，由于接口不一致，需要用USB轉(zhuǎn)TTL接口進行連接。

2.2 軟件設(shè)計

(1)關(guān)于機體(airframe)文件的配置與編寫。

該四旋翼無人機機體呈現(xiàn)X形，所以四個電機分別命名：NE、SE、SW、NW。

當(dāng)機體做翻滾(ROLL)、俯仰(PITCH)、偏航(YAW)、上升(THRUST)動作時，其中一個電機的轉(zhuǎn)速系數(shù)如下所示。

(2)關(guān)于遙控器(radio)文件的編寫。

首先，應(yīng)該注意各通道信號的對應(yīng)順序與序號(ctl)無關(guān)，而是與各通道功能的定義順序有關(guān)；其次，語句data_min是單個ppm波形脈寬最小時間，data_max是單個ppm波形脈寬最大時間，sync_min是整個脈沖串的最小長度時間，sync_max是整個脈沖串的最大長度時間，文中使用的ppm解碼板類型為POSITIVE；再者，關(guān)于min、neutral和max值的獲取，使用默認(rèn)值即可；最后，ppm解碼板默認(rèn)輸出8個通道，文中使用了6個通道，對于未使用的兩個通道也要添加UNUSED標(biāo)志。

(3)關(guān)于飛行計劃(flight-plan)文件的編寫。

alt是計劃飛行高度，ground_alt是當(dāng)?shù)厮礁叨?，lat0是飛行區(qū)域的緯度，lon0是經(jīng)度。

(4)關(guān)于數(shù)傳(telemetry)文件的配置。

數(shù)據(jù)的類型有default、ppm、raw_sensors、scaled_sensors、ahrs等13個種類，配置信息主要包含了各種類型傳回哪些數(shù)據(jù)和傳回數(shù)據(jù)的周期。在ppz地面站中，可以通過選擇數(shù)據(jù)類型，精確地讀取傳回到message文件的數(shù)據(jù)，從而達到監(jiān)視無人機的各項飛行指標(biāo)和參數(shù)。

3 實 驗

3.1 仿 真

為了比較穩(wěn)妥地進行試飛實驗，先在地面站上進行了模擬仿真，如圖4所示。模擬界面中飛行器飛行的路線為：HOME→P1→P2→P3→P4→P1。

圖4 地面站仿真圖

3.2 試飛實驗

在進行了模擬仿真以及對硬件的調(diào)試，確定沒有問題之后，在一片相對空曠的地方進行試飛實驗。

如圖5所示，途中P1、P2、P3、P4為設(shè)置的路徑點。無人機在每到達一個點之后便根據(jù)地面站傳送出的指令調(diào)整飛行方向，飛往下一個路徑點。

實驗數(shù)據(jù)表明，在無人機的飛行過程中能按照規(guī)劃的路徑進行自主飛行，順利完成飛行任務(wù)，并且飛行軌跡較為穩(wěn)定。這種自主飛行的設(shè)計能夠大大減輕操作者的工作量，并且使無人機相對穩(wěn)定的飛行，降低了危險性。

圖5 飛行實驗圖

4 結(jié)束語

基于Paparazzi Lisa/M 2.0的無人機自主飛行設(shè)計，文中提出了一種無人機執(zhí)行自主任務(wù)的解決方法。這種自主飛行設(shè)計可以用于執(zhí)行地圖覆蓋式掃描，執(zhí)行地圖重構(gòu)等方面的工作。文中在硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及地面站控制及仿真方面做了介紹，基于Paparazzi Lisa/M 2.0，四旋翼無人機在仿真與實驗中表現(xiàn)較為優(yōu)秀，但Paparazzi Lisa/M 2.0仍然有很多地方值得深入研究和探討。

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Design of Autonomous Flight for UAV Based on Paparazzi Lisa/M 2.0

WANG Jun-ming，CAO Ke-cai，XIAO Bin，WANG Rong-rong

(College of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210046，China)

The four rotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is of characteristics such as good movement performance,small size,light weight,novel structure,and friendly environment (not easy to cause damage to the surrounding),and with great value in the military,civil and scientific research.Paparazzi is a fully open source project of software and hardware,which began in 2003,aiming to build a strong,autonomous and automatic driving system.In this paper,the Paparazzi Lisa/M 2.0 and ground control system is introduced firstly,and then on the basis of the actual production of quad rotor UAV system for analysis of problems that need to be paid attention to in the development process and key steps,and the four rotor UAV is made successfully,and a series of analysis and test are completed.Use of the navigation control of ground control system can make four rotor UAV achieve a series of tasks such as autonomous navigation,hovering and landing,detailed study of the design and simulation of path planning control.The simulation shows that the effectiveness and accuracy in Paparazzi Lisa/M 2.0 combined with ground control system for four rotor UAV route planning control,can be used for four rotor path planning of UAV command.

Unmanned Aerial Vehicles (UAV);data transmission;autonomous flight;path planning

2015-05-21

2015-08-25

時間：2016-05-05

國家創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(SZDG2014015)；教育部歸國留學(xué)人員啟動基金項目(BJ213022)

王俊明(1993-)，男，專業(yè)為控制理論與工程；曹科才，副教授，通訊作者，研究方向為非線性系統(tǒng)分析與設(shè)計、多無人機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0814.026.html

TP302

A

1673-629X(2016)05-0197-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.05.043