基于Pixhawk的停車場無人機導(dǎo)航系統(tǒng)研究

潘冬陽　吳官樸　屈小琳　丁同強

摘 要 大型停車場特別是立體停車場空車位難以尋找。論文針對這一問題，以Pixhawk開源飛控為技術(shù)基礎(chǔ)，應(yīng)用MAVlink通信協(xié)議、px4flow光流算法和openmv視覺識別技術(shù)，實現(xiàn)無人機的飛行、定點、懸停和視覺導(dǎo)航等，并開發(fā)智能語音app實現(xiàn)人機交互，最終通過現(xiàn)場實驗驗證了上述技術(shù)的可行性，具有一定的理論意義和實用價值。

關(guān)鍵詞 停車場 四旋翼 openmv 自動導(dǎo)航

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A

0引言

隨著私人汽車保有量的逐年增加，城市停車問題日益凸顯：車多而車位少；大型停車場中空余車位尋找困難。為解決這兩個問題，國內(nèi)外提出了許多的辦法。無人機是近年興起的一種飛行器，其具有造價低廉、環(huán)境適應(yīng)能力強、飛行穩(wěn)定性高等特點 。對比傳統(tǒng)方法和已有的停車機器人，無人機在解決“找車難”這個問題上有顯著優(yōu)勢?；诖?，本文考慮以多旋翼無人機為依托，對停車場無人機導(dǎo)航展開研究，希望能對解決“找車難”問題帶來一些啟發(fā)。

1多旋翼無人機及飛控分析

多旋翼無人機由中心板、機臂和腳架組成，其中中心板是無人機的核心。中心板用于安裝不同設(shè)備和器件，包括飛控模塊、GPS模塊、光流模塊、超聲波模塊、云臺和攝像頭模塊等，無人機功能的實現(xiàn)主要是依靠中心板。機臂則是無人機飛行的動力來源，主要承載動力系統(tǒng)。腳架即飛行器的起落架，用于將飛行器墊起一定高度，以便為云臺等掛載設(shè)備騰出空間，還可以提供降落緩沖，保障機體安全。

飛控作為無人機的核心，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定起到?jīng)Q定性作用。本研究的無人機采用Pixhawk飛控為主控板。Pixhawk 擁有32位STM32F427 ARM Cortec M4核心外加FPU（浮點運算單元）168Mhz/156KB RAM/2MB閃存及32位STM32F 103故障保護協(xié)處理器，內(nèi)置兩套陀螺和加速度計MEMS傳感器，互為補充矯正，內(nèi)置三軸磁場傳感器并可以外接一個三軸磁場傳感器，同時還可外接一主一備兩個GPS傳感器，在故障時自動切換。

2總體方案

當(dāng)下絕大多數(shù)停車場都處在相對封閉的環(huán)境，主流的GPS定位技術(shù)在室內(nèi)無法發(fā)揮正常的功效。要實現(xiàn)導(dǎo)航功能，首先需要解決無人機的定位問題；其次，由于缺失GPS信號，無人機飛行過程存在飄移和振動的現(xiàn)象，嚴重會導(dǎo)致整機墜落；同時，為了使導(dǎo)航更加智能，減輕車主的操作負擔(dān)，計劃加入語音交互功能。針對以上問題，本文構(gòu)建出無人機總體方案并對各組成模塊展開研究。

2.1無人機飛控及自動控制的設(shè)計實現(xiàn)

文章選用恒拓HAWK3飛控，該飛控在Pixhawk飛控的基礎(chǔ)上增加一塊上板，并將串口外引，使用戶可以進行功能拓展。Apm固件中支持的模式有近20個，在這些模式的組合下，無人機能完成設(shè)定的任務(wù)。本項目中主要應(yīng)用的模式有自穩(wěn)（Stablize）、定高、（AltHold）、定點（Loiter）、引導(dǎo)（Guided）及降落（Land）模式，地面站通過Mavlink協(xié)議給無人機制定任務(wù)，并將這些強大的模式相互組合。當(dāng)?shù)孛嬲窘o飛控按照一定頻率發(fā)送指定MAVlink協(xié)議的指令時，飛控會認為已連接上地面站，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站。在地面站中按照“QGC→widgets→MAVlink inspector”的順序打開，即可看到所需參數(shù)，并在地面站相應(yīng)功能處進行參數(shù)調(diào)整，從而完成無人機的調(diào)試。因此，僅利用MAVlink協(xié)議就能完成本研究需要開發(fā)的項目。

2.2無人機室內(nèi)定點懸停

由于當(dāng)下絕大多數(shù)室內(nèi)停車場沒有GPS信號的，解決無人機室內(nèi)穩(wěn)定飛行和定點懸停顯得至關(guān)重要。文章引入px4flow光流模塊，輔助無人機飛行來滿足要求。PX4Flow 是一款智能光學(xué)流動傳感器，由光流攝像頭和激光傳感器組成。光流攝像頭可以250Hz的頻率采集圖像，并對相鄰兩幀圖像中的像素點進行跟蹤，計算得出光流向量，即無人機水平面內(nèi)x，y方向的速度和位移。PX4Flow使用前需應(yīng)用Mission Planner地面站對光流使能調(diào)試。同時激光傳感器采集無人機離地高度，結(jié)合飛控控制z方向的速度，實現(xiàn)定高懸停。其懸停高度參數(shù)可調(diào)整，滿足導(dǎo)航過程中車主視線要求。

2.3視覺識別

為實現(xiàn)導(dǎo)航功能，需要對無人機進行定位。OpenMV是一個基于STM32F4xxARMCortex—M4單片機和OV2640圖像傳感器的開源微型機器視覺模塊，對其能夠使用Python編程來實現(xiàn)一系列功能，具有開發(fā)方便、高效和工作穩(wěn)定的特點。本研究采用openmv可識別Apriltag的功能。AprilTag是一個視覺基準系統(tǒng)，可分為Tag36h11，Tag36h10，Tag16h5等種類。其中標識最多的Tag36h11具有2320種標識，基本可滿足所有停車場的要求。AprilTag檢測程序可以計算相對于相機的精確3D位置，方向和id。應(yīng)用openmv標識識別，可將id和位置信息傳輸給飛控，由此可得出無人機位置信息，做出路徑判斷并進行誤差校正。

2.4語音交互識別

語音交互部分是連接用戶與無人機的樞紐，這個模塊需要將用戶的需求準確傳達給無人機。本研究以目前已經(jīng)普及的智能手機為平臺，開發(fā)了一款基于android系統(tǒng)的app。該手機app利用語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)，實現(xiàn)用戶和無人機的語音交互。

3實驗驗證

根據(jù)前述的導(dǎo)航系統(tǒng)各模塊和系統(tǒng)功能，文章進行了實測和調(diào)試：

3.1室內(nèi)懸停

將px4flow光流模塊與飛控連接，應(yīng)用Mission Planner地面站使能光流，確保光流數(shù)據(jù)無誤。室內(nèi)飛行測試，無人機在2-3米的高度飛行懸停效果理想。

3.2視覺識別

Openmv鏡頭焦距調(diào)為兩米，地面放置Apriltag標識，測試openmv識別ip和相對坐標，效果如圖2。

3.3智能語音

手機語音app檢測到命令語言，如“起飛”“停車位”后，回復(fù)“好的”，將指令代號通過藍牙串口發(fā)送到飛控，實現(xiàn)語音控制，效果如圖3。

3.4整體效果

遙控器使能自動控制后，飛控上板停止捕獲遙控通道并模擬遙控信號，反饋語音藍牙指令，結(jié)合視覺識別實現(xiàn)定位并消除誤差，最終完成導(dǎo)航。

4結(jié)論

本文介紹了一種基于四旋翼無人機和px4開源飛控的停車場導(dǎo)航模型，并配有語音人機交互功能。將無人機與停車場導(dǎo)航結(jié)合在一起，在無人機和停車場導(dǎo)航領(lǐng)域具有一定的創(chuàng)新意義。本模型雖存在需要完善的地方，但總體上實現(xiàn)了停車場導(dǎo)航功能，且可根據(jù)需要精簡模塊減少成本，在實用和商業(yè)化領(lǐng)域有很好前景。感謝本文的通訊作者吳官樸，也感謝吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的資助。

基金項目：吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“大型停車場空中智能引導(dǎo)機器人”。

參考文獻

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