多旋翼駕駛員考試測評(píng)系統(tǒng)研究

唐昊，吳皓楠，張航維，方暢陽，劉濱

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

0 引 言

近年來，隨著我國科技及人民生活的發(fā)展，無人機(jī)的使用越來越廣泛，無人駕駛航空器可與多個(gè)領(lǐng)域相結(jié)合，便利人民生活，促進(jìn)勞動(dòng)生產(chǎn)發(fā)展。隨著人工智能、視覺導(dǎo)航、微電子等前沿技術(shù)的突破，無人機(jī)與多學(xué)科交叉融合使新構(gòu)型無人機(jī)不斷涌現(xiàn)，并隨著人機(jī)交互技術(shù)研究的不斷深入，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬和深化。無人駕駛航空器駕駛能力的考核非常重要，是運(yùn)用無人機(jī)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的有效保障。

無人駕駛航空器主要運(yùn)行空間在低空空域，深入人民日常生活空間，而該空間空情復(fù)雜，對(duì)無人駕駛航空器駕駛員的技能有更高的技術(shù)要求，而目前為止，國內(nèi)缺少成熟的多旋翼無人機(jī)駕駛員考試系統(tǒng)，因此，本文提出一種基于APP端與多旋翼考試機(jī)相結(jié)合的多旋翼駕駛員考試系統(tǒng)。

1 無人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件需求分析

為滿足搭載考試測評(píng)系統(tǒng)實(shí)際需求，該無人機(jī)自主著陸系統(tǒng)硬件需要實(shí)現(xiàn)的基本功能包括：無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)能夠快速、精確、穩(wěn)定地控制無人機(jī)飛行姿態(tài)；無人機(jī)機(jī)載定位傳感器應(yīng)具備較高的魯棒性，結(jié)合機(jī)載微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)解算無人機(jī)三維空間坐標(biāo)并且隨時(shí)與手機(jī)APP保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

1.2 飛行控制器的選用

目前市面上較為成熟的開源飛控為APM和Pixhawk，Pixhawk飛控的前身是APM飛控，后面通過傳感器和主控芯片的升級(jí)推出了PX4，在PX4的基礎(chǔ)上又推出了Pixhawk。

本項(xiàng)目使用基于STM32F405的自研飛控如圖1所示，在程序的完善程度上雖不及較為成熟的APM以及Pixhawk飛控，但在外部接口上，本項(xiàng)目所使用的自研飛控具備一個(gè)type C接口、四個(gè)通信串口以及兩個(gè)額外IO口。對(duì)于傳感器的適配程度與兩款成品飛控相比較，足夠滿足該項(xiàng)目設(shè)計(jì)所需。且自研飛控代碼結(jié)構(gòu)更加簡明，對(duì)于相關(guān)專業(yè)技能要求更加寬泛。因此自研飛控可以更好地適配設(shè)計(jì)所需的考試測評(píng)系統(tǒng)。

圖1 自研飛行控制電腦

1.3 嵌入式計(jì)算機(jī)的選用

由于飛控所需的傳感器較多，同時(shí)要進(jìn)行大量的額外運(yùn)算，為了減輕飛控的運(yùn)算壓力，本項(xiàng)目需要采用基于ARM的微型電腦主板的樹莓派進(jìn)行輔助性質(zhì)的運(yùn)算。

如圖2所示，樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，集成多個(gè)USB接口、網(wǎng)口和高清視頻接口，其具體參數(shù)如表1所示。其內(nèi)部能夠運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，主要針對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行開發(fā)，不需要對(duì)底層程序進(jìn)行修改，開發(fā)難度低；其Linux操作系統(tǒng)能夠部署深度學(xué)習(xí)算法，在處理超聲波、光流等傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，也能基于視覺慣性里程計(jì)算法將Intel RealSense T265雙目視覺信息與IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行融合獲得無人機(jī)空間位置信息，極大地減輕了飛控的運(yùn)算壓力。

圖2 樹莓派3B+

表1 樹莓派參數(shù)表

1.4 定位傳感器的選用

本項(xiàng)目所使用無人機(jī)根據(jù)預(yù)期目標(biāo)需使用定位傳感器，因此采用Intel RealSense T265，內(nèi)部自帶SLAM模塊，將攝像頭與慣性測量單元（IMU）結(jié)合起來，利用環(huán)境中的視覺特征，在未知空間可精確追蹤其路徑，同時(shí)T265具有體積小巧、質(zhì)量輕、功耗低和精度高的特點(diǎn)，便于無人機(jī)開發(fā)者直接獲取無人機(jī)位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)，能夠適應(yīng)絕大多數(shù)場景下的室內(nèi)與室外定位。

1.5 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由樹莓派結(jié)合T265視覺慣性里程計(jì)來獲取無人機(jī)的位置信息，將所得位置傳輸至飛行控制電腦，飛控將所得數(shù)據(jù)及自身解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)運(yùn)行軌跡的判斷與記錄，將自身姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)發(fā)送至移動(dòng)端，如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計(jì)方案圖

2 操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件需求分析

無人機(jī)軟件系統(tǒng)應(yīng)能高效處理硬件設(shè)備數(shù)據(jù)且具備極強(qiáng)魯棒性，確保系統(tǒng)在各種情況下都能穩(wěn)定工作；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠靈活變化，便于應(yīng)用開發(fā)與功能擴(kuò)展；系統(tǒng)應(yīng)隨時(shí)為考試測評(píng)提供良好的條件。

2.2 基于ROS的視覺里程計(jì)系統(tǒng) 構(gòu)建

ROS（Robot Operating System）是用于編寫機(jī)器人軟件的分布式架構(gòu)，其框架中每個(gè)功能模塊都可根據(jù)需求單獨(dú)設(shè)計(jì)，不同模塊之間能夠執(zhí)行若干類型的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和控制信號(hào)的交互。

位姿估計(jì)是視覺里程計(jì)系統(tǒng)中的核心，也是其重要目標(biāo).位姿估計(jì)也就是通過分析相機(jī)與空間點(diǎn)的幾何關(guān)系，從而計(jì)算出把K-1時(shí)刻的相機(jī)位姿變換到K時(shí)，根據(jù)時(shí)間序列把相鄰時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)串聯(lián)起來，這樣就構(gòu)成了機(jī)器人或者相機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

無人機(jī)定位系統(tǒng)由多個(gè)功能模塊構(gòu)成，模塊由多個(gè)并行運(yùn)算的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，不同節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)，同時(shí)通過ROS話題通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部節(jié)點(diǎn)及模塊之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。ROS定位模塊主要包括realsense-ros、vision_to_mavros和mavros節(jié)點(diǎn)，其模塊主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 室內(nèi)定位模塊結(jié)構(gòu)圖

librealsnese API作為應(yīng)用程序接口主要采集T265雙目攝像頭圖像、IMU（慣性測量元件）數(shù)據(jù)，以及經(jīng)過VIO（視覺慣性里程計(jì)算法）獲得的原始定位數(shù)據(jù)，本文將原始定位數(shù)據(jù)作為ROS室內(nèi)定位模塊的數(shù)據(jù)輸入。

realsense-ros節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)獲取應(yīng)用程序接口數(shù)據(jù)，并通過話題/tf將數(shù)據(jù)傳遞至vision_to_mavros節(jié)點(diǎn)，vision_to_mavros節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將原始定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ROS系統(tǒng)所采用的ENU坐標(biāo)系，再通過話題/mavros/vision_pose/pose將ENU坐標(biāo)系下的定位數(shù)據(jù)傳遞至mavros節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將定位數(shù)據(jù)從ENU坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至Pixhawk飛控所采用的NED坐標(biāo)系，ENU至NED坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式為（1）～（4）。ROS定位模塊坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意圖如圖5所示。

圖5 室內(nèi)定位模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 考試測評(píng)相關(guān)軟件構(gòu)建

2.3.1 自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)

對(duì)考生的實(shí)操測評(píng)在飛控單片機(jī)中進(jìn)行，當(dāng)手機(jī)APP中選擇開始測評(píng)后，便會(huì)通過藍(lán)牙發(fā)送指令到飛控中。飛控收到指令，即為開啟考試測評(píng)。通過發(fā)送指令的不同，來確定開啟測評(píng)的項(xiàng)目。

第一個(gè)項(xiàng)目為360°旋轉(zhuǎn)，在解鎖無人機(jī)之后，飛行高度為2～5米，需要懸停2秒以上。在保持無人機(jī)相對(duì)位置偏移水平不超過2.5米、豎直不超過1米的情況下，在6～20秒以內(nèi)完成360°的旋轉(zhuǎn)，則此項(xiàng)目完成。

第二個(gè)項(xiàng)目為正飛水平八字，保持機(jī)頭一直朝前的情況下，完成水平八字的飛行，兩個(gè)圓應(yīng)直徑相同大于6米，兩個(gè)圓的結(jié)合部位通過身體中線，空域在120°內(nèi)，完成整個(gè)動(dòng)作的過程中須保持高度不變。完成動(dòng)作后，機(jī)頭偏差不得超過15°。

最后需飛回至起飛區(qū)，懸停2秒后，平穩(wěn)降落在停機(jī)處中央，則考試完成。

通過對(duì)無人機(jī)實(shí)時(shí)的位置坐標(biāo)反饋來模擬其行進(jìn)路線，以此來進(jìn)行自主考試測評(píng)，在正飛水平八字的考試項(xiàng)目中，虛設(shè)了7個(gè)任務(wù)點(diǎn)。無人機(jī)必須準(zhǔn)確的通過所有的任務(wù)點(diǎn)方能完成考試。

2.3.2 危險(xiǎn)警示系統(tǒng)

為防止考生的失誤操作，可以及時(shí)地起到保護(hù)作用，當(dāng)無人機(jī)高度超過六米或者離開動(dòng)作區(qū)5米以上，會(huì)直接判定考生為考核失敗，無人機(jī)將直接切換為返航模式，自行返回起飛點(diǎn)并降落。

2.4 測評(píng)無人機(jī)

測評(píng)無人機(jī)模型如圖6所示?，F(xiàn)階段初步制作四旋翼測評(píng)機(jī)，其搭載的各種傳感器，能夠較為穩(wěn)定且準(zhǔn)確地反饋飛機(jī)位置、姿態(tài)、速度等數(shù)據(jù)，開發(fā)者已通過相關(guān)測試驗(yàn)證其穩(wěn)定性。實(shí)體測評(píng)機(jī)可以讓操作員對(duì)無人機(jī)的控制過程有更加直觀的理解，滿足本系統(tǒng)的要求。

圖6 無人機(jī)

3 APP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

人類社會(huì)正逐步進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，移動(dòng)互聯(lián)概念不斷的改造人民的生活和思維方式。同樣，學(xué)習(xí)方式也由相對(duì)固定的PC互聯(lián)學(xué)習(xí)模式過渡到移動(dòng)模式，并且智能手機(jī)這種移動(dòng)終端已經(jīng)非常普及，這讓移動(dòng)學(xué)習(xí)成為一種必然。海量資源和持續(xù)更新的特點(diǎn)為移動(dòng)學(xué)習(xí)提供了豐富的資源支撐，利用現(xiàn)有的移動(dòng)信息開發(fā)技術(shù)對(duì)海量資源進(jìn)行整合再利用并且設(shè)計(jì)開發(fā)出在智能手機(jī)上使用的學(xué)習(xí)APP軟件，就能真正從空間和時(shí)間上實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式的移動(dòng)化和便捷化。

借鑒駕照考試系統(tǒng)，同比于交管12123軟件，開發(fā)一款無人機(jī)駕照考試系統(tǒng)APP，能夠提高本項(xiàng)目的系統(tǒng)性和可靠性，APP以移動(dòng)智能設(shè)備為載體，使系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)更為便捷，同時(shí)可以提供直接的反饋通道，及時(shí)獲取使用者在實(shí)際操作中的多種信息，能夠讓開發(fā)者直觀的了解系統(tǒng)在實(shí)際使用中的問題，有助于程序及系統(tǒng)的完善。

該項(xiàng)目所用APP由MIT APP INVENTOR2平臺(tái)編寫。APP Inventor最初是一款Google公司開發(fā)的手機(jī)編程工具，用戶能夠通過該軟件快速便捷地開發(fā)Android系統(tǒng)的移動(dòng)應(yīng)用。APP Inventor于2012年1月移交麻省理工學(xué)院行動(dòng)學(xué)習(xí)中心，并以MITAPPInventor的名字公布使用。優(yōu)點(diǎn)是功能豐富，操作方便。APP致力于為今后無人機(jī)考試提供更好的平臺(tái)，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)考試預(yù)約，模擬考試，以及考題練習(xí)等功能，APP的總體操作流程為：（1）注冊(cè)登錄考試人員信息；（2）根據(jù)具體情況需求選擇相應(yīng)功能；（3）根據(jù)操作指引進(jìn)行相關(guān)操作。

首先是注冊(cè)登錄部分，存儲(chǔ)的用戶的注冊(cè)信息需要用到數(shù)據(jù)庫。團(tuán)隊(duì)使用APPMIT的網(wǎng)絡(luò)微型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，能夠與APP的編譯器相兼容，并且存儲(chǔ)空間較大。

其次是對(duì)APP功能的選擇，主要有兩個(gè)選項(xiàng)：考試項(xiàng)目練習(xí)和題庫，相當(dāng)于駕駛證考試中科目一和科目四。在練習(xí)完畢后，APP會(huì)根據(jù)傳感器回傳數(shù)據(jù)記錄以及題庫試題答案進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分。

在項(xiàng)目練習(xí)中，有兩科考試項(xiàng)目可供選擇，八字飛行和360°自旋。8字飛行考試：測試場地事先布置七個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)考試無人機(jī)經(jīng)過導(dǎo)航點(diǎn)時(shí)，智能移動(dòng)端根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)顯示測試場地中考試機(jī)經(jīng)過的監(jiān)測點(diǎn)，圖像由綠色變?yōu)榧t色，同時(shí)會(huì)在智能移動(dòng)端顯示器上將顯示當(dāng)前考試機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即橫滾、俯仰和偏航角，該數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)考試數(shù)據(jù)對(duì)比后，實(shí)時(shí)標(biāo)注當(dāng)前考試機(jī)坐標(biāo)以及所經(jīng)過檢查點(diǎn)的考試情況，具體顯示情況如圖7所示。

圖7 智能移動(dòng)端“8”字飛行考試圖

360°自旋考試：系統(tǒng)會(huì)根據(jù)技能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)測并記錄，在考試機(jī)于指定高度完成360°自旋全過程后，系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判并于智能移動(dòng)端顯示綜合評(píng)分。

測試中，智能移動(dòng)端可使用中止、清零鍵隨時(shí)操作考試機(jī)中止考試，復(fù)位考試機(jī)傳感器數(shù)據(jù)并啟動(dòng)應(yīng)急程序，考試機(jī)自動(dòng)返航以應(yīng)對(duì)考試時(shí)的突發(fā)狀況，測試完畢可使用保存鍵，復(fù)位考試機(jī)傳感器數(shù)據(jù)并對(duì)該次測試結(jié)果進(jìn)行保存記錄。

題庫類似于駕照考試中的理論考試系統(tǒng)，考察用戶對(duì)多旋翼無人駕駛航空器理論知識(shí)及相關(guān)操作規(guī)范的掌握情況。包括多旋翼機(jī)部件組成、手控飛行操作方式，應(yīng)急處理程序以及多旋翼機(jī)飛行前報(bào)備程序的相關(guān)法律規(guī)范、規(guī)定等內(nèi)容。該板塊專注于提高用戶關(guān)于多旋翼機(jī)飛行機(jī)及操作的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)提供模擬考試環(huán)境，便于用戶提前熟悉考試時(shí)的相關(guān)操作流程。

4 結(jié) 論

本文提出了一種將移動(dòng)端APP與無人機(jī)實(shí)物相結(jié)合的多旋翼駕駛員考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。可得結(jié)論：

硬件方面：本系統(tǒng)采用了樹莓派+T265的位置信息采集方案，具有極高的魯棒性和環(huán)境適應(yīng)能力，位置數(shù)據(jù)精確度高。結(jié)合自研飛行控制電腦能夠?qū)o人機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)反饋至移動(dòng)端，用于考試相關(guān)內(nèi)容的評(píng)判。

軟件方面：APP內(nèi)分為考試題庫以及操作訓(xùn)練兩大部分，能夠針對(duì)多旋翼駕駛員考試內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，對(duì)于提升駕駛員操作水平有較大意義和作用。