基于樹莓派的無人機(jī)飛行監(jiān)控機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧國民， 盧 瑾， 潛 杰

（浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310023）

0 引 言

隨著無人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，無人機(jī)已應(yīng)用于工業(yè)巡檢，例如地質(zhì)勘測［1］、電力巡檢［2-5］、輸油管道［6］、噴灑農(nóng)業(yè)等。與傳統(tǒng)人工巡檢相比，無人機(jī)巡檢地形條件限制小，時(shí)間節(jié)省，有利于提高巡檢效率。巡檢實(shí)際工作場景中受到信號干擾或阻擋較為嚴(yán)重時(shí)，地面工作站容易丟失對無人機(jī)的監(jiān)視，無法實(shí)時(shí)查看無人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)以及作業(yè)情況，甚至造成無人機(jī)飛行過程中失控、丟失的情況發(fā)生［7-11］。

樹莓派是一款采用ARM架構(gòu)的微型電腦主板，具有強(qiáng)大的系統(tǒng)功能和接口資源，具備所有PC的基本功能，可安裝完整的Linux系統(tǒng)，支持多種語言進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，經(jīng)過多代產(chǎn)品的迭代，功能穩(wěn)定，開發(fā)資料眾多，通用性好，且具有體積小、功耗低和重量輕等特點(diǎn)。

對于無人機(jī)而言，低功耗以及重量輕的優(yōu)點(diǎn)能夠最大限度減少對無人機(jī)續(xù)航的影響［12-15］。本文針對無人機(jī)巡檢過程中產(chǎn)生的問題，設(shè)計(jì)了一套以樹莓派為平臺的無人機(jī)飛行監(jiān)控機(jī)載系統(tǒng)，以解決巡檢無人機(jī)作業(yè)過程中突發(fā)的信息中斷缺陷，并在該情況下依托移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施緊急信息回傳和設(shè)備定位等功能。

1 機(jī)載系統(tǒng)功能與架構(gòu)

無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)監(jiān)控機(jī)載系統(tǒng)具備以下功能：

（1）增加備用電源裝置，實(shí)現(xiàn)主、備電源兩種供電方式，確保無人機(jī)一旦出現(xiàn)電源故障，機(jī)載系統(tǒng)依然可以持續(xù)工作。

（2）對無人機(jī)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)以及電源狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并顯示監(jiān)測結(jié)果。

（3）機(jī)載系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電源、無人機(jī)數(shù)據(jù)程序、系統(tǒng)以及無人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息。

（4）利用4G移動(dòng)通信技術(shù)將設(shè)備定位及機(jī)載系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至起到類似飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄儀的功能，提高無人機(jī)巡檢工作的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，機(jī)載系統(tǒng)分為微型主板、電源、顯示以及通信等模塊主要部分，各模塊安裝于防水防塵的外盒中，并固定于無人機(jī)頂部，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 機(jī)載系統(tǒng)硬件平臺

機(jī)載系統(tǒng)硬件包括主控平臺、電源、顯示、通信以及負(fù)責(zé)無人機(jī)與主控平臺間交互的串口通信模塊，系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 機(jī)載系統(tǒng)工作原理圖

2.1 微型主板

微型主板是機(jī)載系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)計(jì)算、處理各種數(shù)據(jù)，如無人機(jī)的位姿、飛行速度以及電池電量等信息，同時(shí)要保持與地面站的數(shù)據(jù)連接，需要有足夠的運(yùn)算精度與能力，足夠的通信接口等。本文選用樹莓派3B作為無人機(jī)二次開發(fā)平臺，安裝Arm版操作系統(tǒng)Ubuntu Mate 16.04，并在該操作系統(tǒng)上部署機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）作為DJI OSDK開發(fā)環(huán)境，通過其訂閱和分發(fā)功能與無人機(jī)進(jìn)行通信，并對獲取得的無人機(jī)傳感器信息進(jìn)行處理，得到當(dāng)前時(shí)間、GPS經(jīng)緯度、飛行高度、飛行速度、電池電量等信息，存儲在本地以待移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行上傳。微型主板與其他功能模塊進(jìn)行連接。

2.2 電源模塊

機(jī)載系統(tǒng)具有主電源供電和備用電源供電兩種方式，無人機(jī)出現(xiàn)電源故障依然可以監(jiān)控其作業(yè)狀態(tài)及位置，并記錄無人機(jī)作業(yè)信息。

電源模塊由降壓、主、備電源切換以及備用電源模塊組成。降壓穩(wěn)壓模塊采用UBEC 5A，其輸入端與無人機(jī)的電源輸出端連接，輸出端與UPS電源模塊的輸入端連接，無人機(jī)輸出電壓為24 V，降壓穩(wěn)壓模塊將24 V降低到5 V，提供3 A的輸出電流；備用電池模塊包括電源管理擴(kuò)展板和充電電池，電源管理擴(kuò)展板采用U100 UPS，電池采用18650鋰電池，其中U100 UPS的電源輸出管腳和GND管腳分別和微型主板的電源輸入管腳和GND管腳連接。主、備電源切換采用一路光耦隔離模塊檢測電源輸入模式，模塊的輸入端與降壓模塊的輸出端連接，信號輸出端OUT-I/O與樹莓派的第13號GPIO管腳連接，接地端與樹莓派的GND管腳相連。當(dāng)有電源接入時(shí)，輸出為低電平；電源斷開時(shí)，輸出為高電平，通過樹莓派的GPIO讀取高、低電平信號，進(jìn)行電源輸入的判斷。

2.3 顯示模塊

機(jī)載系統(tǒng)對無人機(jī)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)以及電源狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并顯示，顯示模塊選用7.4 mm e-Paper柔性墨水屏，該屏帶有內(nèi)部控制器，使用SPI接口通信，且具有支持局部刷新、功耗低、視角寬、斷電仍可清晰顯示等優(yōu)點(diǎn)。顯示模塊的SPI通信接口與樹莓派Board物理引腳進(jìn)行連接，顯示屏幕嵌于外盒頂部。顯示屏劃分為5個(gè)部分，分別用于顯示系統(tǒng)時(shí)間、OSDK連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、無人機(jī)工作狀態(tài)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 通信模塊

本文采用4G LTE WIFI Dongle無線上網(wǎng)卡，通過USB口與樹莓派進(jìn)行連接，安裝在機(jī)載系統(tǒng)盒內(nèi)，通信系統(tǒng)利用3G/4G移動(dòng)通信信號，將飛行數(shù)據(jù)通過http協(xié)議實(shí)時(shí)上傳至云端。經(jīng)驗(yàn)證，無人機(jī)搭載本系統(tǒng)使用4G模塊在高度100 m的環(huán)境下可以穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 串口通信

無人機(jī)的主控芯片為單片機(jī)，樹莓派屬于PC機(jī)，兩者之間的通信需要通過信號轉(zhuǎn)換，本文采用CH340G芯片與無人機(jī)主控芯片連接，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)TTL，將電平轉(zhuǎn)換到雙方都能識別的信號，以便樹莓派能有效地讀取無人機(jī)發(fā)送的信號。CH340G芯片通過排線與無人機(jī)上的UART口連接，CH340G芯片的TX腳連接無人機(jī)的RX腳，RX腳連接無人機(jī)的TX腳，通過USB口將CH340G芯片與樹莓派連接，將雙方識別的電平轉(zhuǎn)換為通信電平。

3 飛行監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

選用Python和C++語言編程，利用Python簡潔的語法特性和強(qiáng)大的圖像庫支持，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、網(wǎng)絡(luò)檢測、供電方式判斷等功能，C++語言實(shí)現(xiàn)無人機(jī)行數(shù)據(jù)信息讀取等功能，運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3.1 開機(jī)自啟動(dòng)腳本

機(jī)載系統(tǒng)在無人機(jī)開機(jī)時(shí)自動(dòng)通電開機(jī)，在進(jìn)入系統(tǒng)后，無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)獲取、處理以及上傳等功能的程序均以腳本方式自動(dòng)運(yùn)行，無須人為進(jìn)行任何操作。

圖4為ubuntu16.04開機(jī)自啟動(dòng)腳本文件start.sh。

圖4 自啟動(dòng)腳本文件

設(shè)備開機(jī)后機(jī)載系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行入口腳本，啟動(dòng)各模塊功能，并以記事本格式存儲信息，信息數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電源狀態(tài)、無人機(jī)數(shù)據(jù)程序狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)以及無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)等。機(jī)載系統(tǒng)從存儲信息中讀取部分信息實(shí)時(shí)上傳至云端。腳本文件運(yùn)行順序分別為：

（1）開啟墨水屏驅(qū)動(dòng)程序腳本，讀取系統(tǒng)狀態(tài)值，并通過墨水屏顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。

（2）調(diào)用ROS系統(tǒng)版本SDK，通過ROS的發(fā)布功能以不同主題發(fā)布無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，待訂閱程序進(jìn)行接受并處理。

（3）判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并在網(wǎng)絡(luò)可用的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

（4）通過樹莓派的GPIO口判斷主板的供電方式是主電源供電還是備用電源供電。

（5）訂閱發(fā)布的主題消息獲取無人機(jī)原始數(shù)據(jù)，將無人機(jī)原始數(shù)據(jù)處理后存儲到本地待發(fā)送文件，并保存以開始時(shí)間命名的日志文件。

3.2 數(shù)據(jù)信息獲取模塊

飛行數(shù)據(jù)信息獲取模塊主要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)原始數(shù)據(jù)的獲取、處理及本地保存，DJI OSDK是一個(gè)用于開發(fā)無人機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)工具包，基于OSDK開發(fā)的應(yīng)用程序能夠運(yùn)行在機(jī)載計(jì)算機(jī)上，通過調(diào)用OSDK的開放接口，實(shí)現(xiàn)飛行控制及圖像感知等應(yīng)用功能，OSDK提供了豐富的接口，方便開發(fā)者使用第3方應(yīng)用程序和算法框架，滿足用戶個(gè)性化的應(yīng)用功能和控制需求。

基于OSDK開發(fā)的應(yīng)用程序運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)ROS，并通過ROS的發(fā)布功能將無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以不同主題進(jìn)行發(fā)布，包括電池電量信息、GPS信息。以及可以測量速度、方向的IMU信息，訂閱程序接受發(fā)布的主題消息獲取無人機(jī)原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后存儲本地待發(fā)送文件中，并保存以開始時(shí)間命名的日志文件，圖5是無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)訂閱程序接收消息并處理的工作流程圖。

圖5 訂閱程序流程圖

機(jī)載系統(tǒng)從無人機(jī)獲取原始數(shù)據(jù)信息，采樣頻率3 Hz，計(jì)算處理得到包括定位時(shí)間、經(jīng)度、維度、高度、水平速度、垂直速度、與起飛點(diǎn)距離以及電池電量，詳細(xì)格式見表1，存儲于本地gps.txt文件。無人機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)工具包工作狀態(tài)存儲于osdkstatue.txt文件。

表1 采集數(shù)據(jù)格式表

3.3 網(wǎng)絡(luò)檢測模塊

網(wǎng)絡(luò)檢測模塊用于獲取數(shù)據(jù)上傳之前，判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并在網(wǎng)絡(luò)可用的情況下將文件gps.txt中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，工作流程如圖6所示，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息將存儲于本地的networkstatue.txt文件。

3.4 電源檢測模塊

電源檢測模塊通過GPIO口讀取高低電平信號進(jìn)行判斷，低電平為主電源供電，高電平為備用電源供電，若是備用電源供電，機(jī)載系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定時(shí)間工作運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉，電源狀態(tài)信息保存于本地shutdown.txt文件。

3.5 狀態(tài)顯示模塊

通過開啟墨水屏驅(qū)動(dòng)程序腳本，讀取系統(tǒng)狀態(tài)值顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，狀態(tài)信息分別從osdkstatue.txt、networkstatue.txt以及shutdown.txt文件中讀取，并存儲為systatue.txt。顯示屏劃分為5個(gè)部分，分別用于顯示系統(tǒng)時(shí)間、OSDK連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、無人機(jī)M300工作狀態(tài)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)程序啟動(dòng)和信號獲取情況設(shè)計(jì)8種機(jī)載系統(tǒng)狀態(tài)，見表2。

表2 機(jī)載系統(tǒng)狀態(tài)表

圖7為網(wǎng)絡(luò)程序未啟動(dòng)狀態(tài)（表2中狀態(tài)3）下的墨水屏工作狀態(tài)顯示示例。

圖7 狀態(tài)顯示示例

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)搭載的飛行設(shè)備采用的是四旋翼無人機(jī)經(jīng)緯M300 RTK，該無人機(jī)可支持懸停、低速巡航，最大有效載荷為2.7 kg，抗風(fēng)能力達(dá)到7級，可適應(yīng)-20～50℃的溫度環(huán)境。

圖8為機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物圖。

圖8 機(jī)載系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程中，除顯示屏嵌套安裝在密閉外盒表面，其他機(jī)載系統(tǒng)部件組裝在外盒中，并固定在無人機(jī)頂部，實(shí)驗(yàn)場景如圖9所示。

圖9 機(jī)載系統(tǒng)安裝圖

實(shí)際測試中，針對無人機(jī)飛行的高度以及速度進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)論證，在保證安全可靠的前提下，目前得到的飛行高度為100 m；飛行最大速度為12 m/s，實(shí)際續(xù)航時(shí)間在26 min左右，有效單次飛行距離為16 km。

圖10為無人機(jī)在校園內(nèi)實(shí)際飛行測試中，機(jī)載系統(tǒng)上傳鷹眼實(shí)時(shí)繪制的飛行軌跡圖以及回傳的飛行數(shù)據(jù)及定位信息。

圖10 校園實(shí)測飛行軌跡及飛行數(shù)據(jù)圖

5 結(jié) 語

本文基于樹莓派設(shè)計(jì)一套對無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視的機(jī)載系統(tǒng)，解決無人機(jī)在飛出遙控范圍或遇到突發(fā)事件下失控的問題，利用移動(dòng)通信技術(shù)為系統(tǒng)開發(fā)多鏈路的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)降低無人機(jī)的飛行風(fēng)險(xiǎn)，保證每次飛行作業(yè)數(shù)據(jù)能得到有效、高效的保管，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯，極大地提高了無人機(jī)巡檢工作的穩(wěn)定性和安全性，對教學(xué)、科研及生產(chǎn)等領(lǐng)域都有較大的參考價(jià)值。