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    基于OSG和OSDK的無人機標校系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

    2022-12-26 12:54:58虞炳文蔡紅維丁思煒
    計算機測量與控制 2022年12期
    關(guān)鍵詞:應答機航點標校

    虞炳文,蔡紅維,丁思煒,楊 波,王 康

    (西昌衛(wèi)星發(fā)射中心,四川 西昌 615000)

    0 引言

    目前的標校,根據(jù)跟蹤目標的屬性,可以區(qū)分為對靜態(tài)目標的標校以及對動態(tài)目標的標校。

    對靜態(tài)目標的跟蹤標校實現(xiàn)較為簡單,但是需要標校塔或者標校桿配合進行,因此受到場地限制的約束較為明顯。

    通過對動態(tài)目標的跟蹤標校,較為常見的有三種方式,分別是利用標校衛(wèi)星、利用飛機、利用無人機進行標校。

    利用標校衛(wèi)星,即利用天平衛(wèi)星進行標校,優(yōu)點是簡單可行,但是此種方法只能對測控設備的跟蹤性能(基帶指標)進行標校,對設備的動態(tài)性能(伺服指標)則無法進行有效標校。

    利用飛機標校,優(yōu)點是對設備的跟蹤性能和動態(tài)性能都能進行有效的檢驗,但缺點也很明顯,就是成本高昂。

    利用無人機進行標校,優(yōu)點是成本較低,起飛在一定程度上不受場地限制,對測控設備的跟蹤和動態(tài)性能在理論上都能進行有效的驗證,但是缺點是,目前所使用的無人機上可攜帶的應答機較為簡單,以及無人機容易受到天氣等因素影響,驗證精度無法得到有效保證。

    而文中通過對無人機、應答機等的硬件指標設計,對標校相關(guān)軟件設計,提高無人機的標??煽啃裕WC其精度,從而保證無人機標校的可行性。通過對無人機標校系統(tǒng)進行功能需求分析,提出了對于標校軟件功能和無人機、應答機等硬件指標的設計與實現(xiàn),對于進一步提高無人機標校精度與可靠性,推動無人機標校的應用有較強的現(xiàn)實意義。

    1 無人機標校存在的問題

    在前期開展的無人機標校過程中,暴露出一些問題。

    1)無人機在高空中穩(wěn)定性差,容易受到高空風等因素影響,導致不能按照既定飛行軌跡飛行。

    2)目前基地正在使用的標校無人機,攜帶的是信標機,并非應答機,無應答模式。

    3)無人機攜帶的信標機的發(fā)射頻點與信號強度不支持修改。

    4)因機載信標機較為簡易,未配備頻標設備,頻率的穩(wěn)定性較差。

    5)飛行軌跡的設計依靠無人機產(chǎn)家提供的商業(yè)軟件,例如DJI Pilot,并非專業(yè)的標校軟件,因此使用上有很多限制,例如在手動添加飛行軌跡的路徑點時,難以避免地會出現(xiàn)點密度較低,點分布不均勻等情況。另外,在飛行軌跡的導入導出格式上,也會出現(xiàn)不匹配的情況。

    6)專業(yè)的無人機標校軟件的缺失,導致無人機的飛行軌跡的設計無法考慮到很多重要因素,例如被標校設備的指標參數(shù),當時當?shù)氐淖匀灰蛩氐取?/p>

    2 無人機標校軟硬件分析設計

    在此對無人機標校系統(tǒng)進行一個分析及設計,涉及硬件及軟件內(nèi)容。

    2.1 應答機需求分析及設計

    應答機應包含六個模塊,依次為:控制天線、無線通信模塊、控制模塊、應答模塊、射頻天線、供電模塊,應答機示意圖見圖1。

    圖1 應答機平面示意圖

    對機載應答機作如下要求:

    1)應答機的重量主要來源于應答機保護外殼、無線通信模塊、應答模塊、電池。應答機總重量小于15 kg。

    2)供電模塊的輸入端電壓為12 V,電流為2 A,即功率為24 W。

    3)應答機外接3S電池。

    4)可通過地面控制臺無線控制應答機信號開關(guān),調(diào)整信號頻點、調(diào)整信號強度,切換應答及信標模式等。

    2.2 標校無人機需求分析及設計

    標校無人機的重要指標為:無人機載重與飛行穩(wěn)定性。

    1)無人機載重量與無人機的電機、螺旋槳槳葉長度、螺距等密切相關(guān)。電池、電機、螺旋槳選型與搭配很重要,一般情況下,整機重量,應該小于電機最大動力的2/5。

    2)飛行穩(wěn)定性受飛控影響較大。選擇大疆A3 Pro飛控,搭載D-RTK-GNSS,可使得飛行懸停精度達到垂直方向約0.02 m,水平方向約0.01 m。

    3)機架選用六旋翼機架,材質(zhì)輕且堅固。

    4)電池的選擇需要綜合考慮電池的重量及容量。無人機電池容量保證載重10 kg下,可飛行30 min。

    5)無人機遙控天線與應答機射頻天線、應答機通信控制天線區(qū)分開。

    6)無人機可同時接收來自遙控器及地面控制臺的控制信號。遙控器控制無人機進行飛行操作,地面控制臺通過上傳規(guī)劃好的航線驅(qū)動無人機啟動航線飛行。

    無人機示意圖見圖2。

    圖2 無人機俯視圖

    2.3 無人機標校軟件需求分析及設計

    無人機標校軟件是為標校無人機專用設計的桌面端應用軟件,運行在地面控制臺服務器上,其作用是能夠根據(jù)測控設備及機載應答機的性能參數(shù)、指標要求以及當?shù)丨h(huán)境因素,綜合生成一條滿足標校需求的飛行軌跡,并且能夠?qū)w行軌跡上傳至無人機飛控,驅(qū)動標校無人機實施飛行計劃。同時,無人機標校軟件可以實現(xiàn)對機載應答機的遠程控制。

    2.3.1 軟件功能

    無人機標校軟件需要實現(xiàn)以下三個功能:

    1)生成一條可靠的飛行軌跡;

    2)將飛行軌跡導入飛控,并實施;

    3)遠程控制機載應答機。

    2.3.2 開發(fā)環(huán)境

    軟件部分使用較為成熟的C++開發(fā)框架:

    1)操作系統(tǒng):Linux操作系統(tǒng)。

    2)開發(fā)語言:C++。

    3)開發(fā)工具:Qt及QtCreator。

    4)編譯器:GCC 5.4.0/5.5.0以上版本。

    2.3.3 功能設計

    軟件功能設計分為三部分進行闡述。

    2.3.3.1 生成飛行軌跡功能

    生成飛行軌跡的功能是整個軟件部分的基礎內(nèi)容。

    2.3.3.1.1 功能分析

    飛行軌跡的規(guī)劃,需要考慮以下幾個方面的情況:

    1)標校的目的。跟蹤靜態(tài)目標與跟蹤動態(tài)目標所要達成的目標是不同的。跟蹤靜態(tài)目標的通常是為了檢查測控設備的極性、AGC曲線標定。跟蹤動態(tài)目標通常是為了測試設備的伺服性能,即設備方位俯仰上的速度、加速度、加加速度等,能否達到指標要求,因此在設計飛行軌跡時,需考慮其極限值。

    2)飛行軌跡的約束條件。標校無人機允許飛行的最大高度與起飛點位置相關(guān)。測控設備與應答機之間的最小距離與電磁波傳輸特性有關(guān),即電磁波遠場距離公式,見公式(1),其中D為天線口徑,λ為電磁波頻率;最遠距離與測控設備與應答機的發(fā)射信號強度、接收靈敏度有關(guān)。

    3)無人機飛行的干擾因素。主要是環(huán)境因素,包括高空風、大氣折射率、溫濕壓、太陽夾角、月球夾角等。

    4)飛行軌跡的模擬仿真。搭建三維立體場景進行模擬仿真,一方面實現(xiàn)飛行軌跡可視化,一方面驗證各參數(shù)的正確性,可選用OpenSceneGraph及osgEarth函數(shù)庫實現(xiàn)。

    2.3.3.1.2 程序設計

    根據(jù)上述影響分析,對飛行軌跡的功能作如下設計。

    1)設計飛行軌跡生成函數(shù)類,QGenerateTraj。

    2)設計一個結(jié)構(gòu)體trajStruct,包含每個飛行軌跡跡點的數(shù)據(jù)格式值,見代碼 1,其中T為相對時間,X、Y、Z分別為地心固定坐標系下的X軸值、Y軸值、Z軸值,Vx、Vy、Vz分別為在X軸、Y軸、Z軸方向的速度分量。

    代碼1:飛行軌跡點結(jié)構(gòu)體

    struct trajStruct{

    int T;

    int X;

    int Y;

    int Z;

    int Vx;

    int Vy;

    int Vz;

    }

    3)函數(shù)emulateTrajectory(),無返回值,功能為根據(jù)生成的飛行軌跡在三維環(huán)境中進行仿真。

    4)函數(shù)getFlyTrajectory(),返回值為保存為QList的飛行軌跡,即保存為每個跡點的數(shù)據(jù)的容器,功能為根據(jù)輸入的參數(shù)生成飛行軌跡,該函數(shù)在emulateTrajectory()中被調(diào)用。

    5)setOsgSceneParaAndDisplay(QList traj)函數(shù),返回值為QList的飛行軌跡,輸入值為getFlyTrajectory()輸出的結(jié)果數(shù)據(jù),功能為在三維空間中演示輸入的飛行軌跡。該函數(shù)在emulateTrajectory()中被調(diào)用。

    6)函數(shù)setFlyTrajPara(),無返回值,輸入值為各指標參數(shù),功能為設置飛行軌跡設計中需要用到的基本參數(shù),如測站地理坐標、測試指標、飛行限制條件、環(huán)境干擾因素、數(shù)據(jù)輸出格式等。該函數(shù)在getFlyTrajectory()函數(shù)中被調(diào)用。

    7)函數(shù)setFlyTrajPara(),無返回值,輸入值為測試指標參數(shù),功能為設置測試期望達到的指標參數(shù)。該函數(shù)在setFlyTrajPara()被調(diào)用。在該函數(shù)下,根據(jù)指標參數(shù)的不同,分別調(diào)用setElSpeed(int val)設置方位速度,調(diào)用setElAcceleration(int val)設置方位加速度,調(diào)用setElJerk(int val)設置方位加加速度,調(diào)用setAzSpeed(int val)設置方位速度,調(diào)用setAzAcceleration(int val)設置方位加速度,調(diào)用setAzJerk(int val)設置方位加加速度。

    8)函數(shù)setFlyLimitPara(),無返回值,輸入值為飛行軌跡的限制條件,功能為設置因設備性能帶來的限制條件。該函數(shù)在setFlyTrajPara()被調(diào)用。在該函數(shù)下,根據(jù)指標參數(shù)的不同,分別調(diào)用setRadarEmitPower (int val)設置測控設備的發(fā)送功率,調(diào)用setRadarRecvMinVal (int val)設置測控設備的接收靈敏度,調(diào)用setRespEmitPower (int val)設置應答機的發(fā)送功率,調(diào)用setRespRecvMinVal (int val)設置應答機的接收靈敏度,調(diào)用setRemoteDist (int val,int fr)設置并計算遠場距離,其中val為天線口徑,fr為電磁波頻率。

    9)函數(shù)setFlyInterPara(),無返回值,輸入值為環(huán)境因素帶來的干擾參數(shù),功能為設置因環(huán)境因素帶來的干擾。該函數(shù)在setFlyTrajPara()被調(diào)用。在該函數(shù)下,根據(jù)指標參數(shù)的不同,分別調(diào)用ifUpperAirWinds(bool ok)設置是否啟用高空風誤差修正,調(diào)用ifAtmosRef(bool ok)設置是否啟用大氣折射修正,調(diào)用ifTempHumiPressure(bool ok)設置是否啟用溫濕壓修正,調(diào)用ifSunAngle(bool ok)設置是否避開太陽夾角干擾,調(diào)用ifMoonAngle(bool ok)設置是否避開月球夾角干擾。

    函數(shù)調(diào)用關(guān)系見圖3。

    圖3 生成飛行軌跡函數(shù)設計

    2.3.3.1.3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

    關(guān)鍵技術(shù)主要圍繞與OSG相關(guān)的內(nèi)容。

    2.3.3.1.3.1 三維環(huán)境的搭建

    為搭建一個高還原度、可測量、準確可靠的三維世界,選用開源的osgEarth函數(shù)庫來實現(xiàn)。osgEarth是基于OSG函數(shù)庫二次開發(fā)的,專門用于地理信息系統(tǒng)建模的函數(shù)庫,使用范圍廣,可配置性強。選用osgEarth2.10版本及OSG3.6.4版本進行二次開發(fā)。

    通過osgEarth實現(xiàn)三維建模主要有兩種方法,一種是純代碼形式,所有的配置項通過代碼中調(diào)用函數(shù)庫實現(xiàn);另一種是代碼加配置文件形式,三維地理模型的絕大部分配置內(nèi)容,都可以通過*.earth文件中的配置項實現(xiàn)配置。在無人機標校軟件的設計中使用第二種方式。

    2.3.3.1.3.1.1 編寫*.earth文件

    編寫*.earth文件,可以將其命名為simple.earth配置文件,earth后綴的文件格式,類似于*.xml文件,是用作配置三維地理模型的配置文件。定義地理信息模型,需要最少包含五部分內(nèi)容,一是確定空間參考系,二是確定地形渲染參數(shù),三是加載高程數(shù)據(jù),四是加載紋理信息,五是確定數(shù)據(jù)緩存方式。

    1)確定空間參考系。空間參考系配置選用geocentric,地固系坐標系,即地心為質(zhì)心的空間直角坐標系。

    代碼2:空間參考系配置項

    2)定義地形引擎如何渲染影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)??蓪Φ乩砟P偷牟逯捣绞?、是否開啟地形表面的光照、加載地形數(shù)據(jù)(瓦片)的策略、多影像數(shù)據(jù)疊加時集成最終影像數(shù)據(jù)的方式、地形瓦片分割的最大層數(shù)、瓦片范圍系數(shù)、瓦片的采樣率、瓦片邊緣率、高程夸張系數(shù)、邊緣緩沖率等參數(shù)進行設置。

    代碼3:地形渲染方式配置項

    3)加載高程數(shù)據(jù)。使用加載DEM圖的方式加載高程數(shù)據(jù),DEM圖是一種每個圖元像素都包含了地理信息,如經(jīng)緯度、高程信息的TIF格式圖。在此使用的DEM圖為包含了中國范圍內(nèi)的1Km精度的高程信息。加載高程數(shù)據(jù)的操作,可以先貼上一張高程精度較低的DEM圖,然后在此基礎上,根據(jù)需求在特定區(qū)域貼上精度更高的DEM圖,如下圖所示。之所以要選擇不同精度的不同范圍的DEM圖,是因為精度如果太高,就會導致DEM圖非常大,加載起來就會非常困難,因此要合理安排DEM圖的精度。

    代碼4:加載高程數(shù)據(jù)配置項

    4)加載紋理信息,即貼圖操作。是為了使得地理模型可以更直觀且美觀的展現(xiàn),如果沒有貼圖操作,則顯示的地理模型就是一個密密麻麻的點云。貼圖操作可以先貼上一張分辨率較低的全球影像圖,然后在此基礎上,根據(jù)需求在特定區(qū)域貼上分辨率更高的影像圖。原因同高程數(shù)據(jù)。

    代碼5:加載紋理信息配置項

    5)確定數(shù)據(jù)緩存的方式和存儲位置。緩存在三維建模中顯得較為重要,因為加載一次高程和紋理圖的數(shù)據(jù)量較大,需要較長時間,如果在每一次運行時都去重新加載,那顯然是不可接受的,因此osgEarth給出的一種方案是,第一次加載完成后,就會生成緩存數(shù)據(jù),以后每次加載,則從緩存數(shù)據(jù)進行加載,這樣會顯著提升效率。

    代碼6:數(shù)據(jù)緩存的配置項

    /media/ybw/SSD/OSG_DATA/MAIN_DATA/FileCache

    2.3.3.1.3.1.2 運行并顯示三維世界

    因為選用Qt作為開發(fā)工具,要將osgEarth顯示的地理模型,顯示在Qt的窗口中。在osgEarth開發(fā)中,至少需要配置兩部分內(nèi)容,一是加載三維模型,二是設置相機操作器。

    1)加載*.earth模型。

    代碼7:讀取模型的代碼

    osg::Node* pNode =

    osgDB::readNodeFile("./Data/simple.earth");

    osgEarth::MapNode* mapNode =

    osgEarth::MapNode::findMapNode(pNode.get());

    2)初始化相機操作器,即相機參數(shù)。osgEarth的界面顯示,實際上是將顯示界面當作一個攝像頭,顯示的是攝像機視角。

    代碼8:設置相機操作器的代碼

    osgEarth::Util::EarthManipulator *em = new osgEarth::Util::EarthManipulator;

    if(mapNode.valid())

    {

    em.get()->setNode(mapNode);

    }

    em.get()->getSettings()->setArcViewpointTransitions(true);

    osgViewer::Viewer * pViewer=this->getOsgViewer();

    pViewer->setCameraManipulator(em.get());

    pViewer->setSceneData(mRoot.get());//添加到場景

    pViewer->realize();

    2.3.3.2 航線導入飛控并實施功能

    在生成了航線之后,就需要考慮如何將該航線轉(zhuǎn)換為無人機可識別的格式并上傳使用。

    2.3.3.2.1 功能分析

    實現(xiàn)飛行軌跡的導入,需要解決幾方面的問題。

    1)將生成的飛行軌跡數(shù)據(jù)整理成飛控程序能識別的格式。

    2)將整理后的飛行軌跡數(shù)據(jù)上傳至飛控。

    3)驅(qū)動飛行器按既定飛行軌跡飛行。

    2.3.3.2.2 程序設計

    大疆無人機設備基于C++的二次開發(fā),大疆官方提供了OSDK開發(fā)工具包,目前最新的版本為V4.0.0。

    2.3.3.2.2.1 DJI OSDK簡介

    在此介紹OSDK開發(fā)包。

    1)DJI OSDK是由大疆自主開發(fā)的一個運行于桌面端的軟件庫,貼合用戶自主進行二次開發(fā)的需要,可個性定制對無人機在飛行中與自動化相關(guān)的的需求,其提供了一些基礎的API,用于實現(xiàn)基本的運動規(guī)劃功能;開發(fā)者在使用調(diào)用規(guī)劃相關(guān)的庫的同時,可以根據(jù)個人需要,對功能進一步擴展,可根據(jù)實際的使用需求,設計并編寫相應的航點任務以及熱點任務,制定一套個性化控制無人機自動化飛行的控制邏輯。

    2)在無人機標校中主要用到的功能是航點規(guī)劃的功能。航點規(guī)劃,簡單來說就是通過設置一系列的軌跡點,連接成線,然后將航跡上傳給無人機,指令控制無人機按照指定的航線啟動飛行,實現(xiàn)無人機根據(jù)既定航線自動化飛行的控制功能。開發(fā)者通過調(diào)用DJI OSDK 的API接口,能夠控制無人機以指定的高度、方向飛往既定的位置,并且執(zhí)行約定好的動作,根據(jù)任務需求,還可以編寫更多的任務動作,控制無人機多次重復執(zhí)行該任務,以此實現(xiàn)多輪次標校的功能。

    3)開發(fā)者在代碼開發(fā)中,調(diào)用航點任務相關(guān)的API,需要指定的參數(shù)為航點數(shù)量和對應的航點類型。航點數(shù)量在最新版本的API中,最多可設置65535個點。航點類型主要包含三種飛行模式,分別為曲率飛行、直線飛行和協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。

    4)OSDK庫文件同時還為開發(fā)者提供了更多方便簡潔的功能,以便直接調(diào)用,比如對速度的控制功能,開發(fā)者能夠按照既定任務要求,為不同的航點配置不同的速度,當然,也可以為同一個航點設置多個速度。另外,在無人機執(zhí)行航線飛行任務時,修改或查詢無人機全局巡航速度等的狀態(tài)數(shù)據(jù)的函數(shù),也是事先寫好,可以直接調(diào)用的。

    2.3.3.2.2.2 主要函數(shù)類

    為實現(xiàn)航點任務功能,利用OSDK函數(shù)庫,主要將設計到以下幾個代碼文件:

    1)dji_mission_type.hpp文件。該文件主要用于定義在航線自動飛行中會用到的一些數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體文件,主要的內(nèi)容為WaypointV2結(jié)構(gòu)體,其中主要涉及到的內(nèi)容有:longitude為精度值,latitude為緯度值,relativeHeight為高程值,maxFlightSpeed為最大速度值,autoFlightSpeed為自動巡航速度值。

    代碼9:WaypointV2結(jié)構(gòu)體內(nèi)容

    typedef struct WaypointV2

    {

    float64_t longitude;

    float64_t latitude;

    float32_t relativeHeight; /*! relative to takeoff height*/

    DJIWaypointV2FlightPathMode waypointType;

    DJIWaypointV2HeadingMode headingMode;

    WaypointV2Config config;

    uint16_t dampingDistance;

    float32_t heading;

    DJIWaypointV2TurnMode turnMode;

    RelativePosition pointOfInterest;

    float32_t maxFlightSpeed;

    float32_t autoFlightSpeed;

    }WaypointV2;

    2)dji_mission_base.hpp文件。在這部分代碼中,主要實現(xiàn)的是對航線任務的控制函數(shù),start()實現(xiàn)啟動任務,stop()實現(xiàn)停止任務,pause()實現(xiàn)暫停任務,resume()實現(xiàn)重啟任務。

    代碼10:dji_mission_base.hpp主要代碼

    virtual void start(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData=0)=0;

    virtual ACK::ErrorCode start(int timer) = 0;

    virtual void stop(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData = 0) = 0;

    virtual ACK::ErrorCode stop(int timer) = 0;

    virtual void pause(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData = 0) = 0;

    virtual ACK::ErrorCode pause(int timer) = 0;

    virtual void resume(VehicleCallBack callback = 0, UserData userData = 0)=0;

    virtual ACK::ErrorCode resume(int timer) = 0;

    3)dji_waypoint_v2.hpp、dji_waypoint_v2.cpp代碼文件。其中的WaypointV2MissionOperator類為主要功能實現(xiàn)的類,在該類中主要涉及到的函數(shù)有,init(WayPointV2InitSettings *info,int timeout)函數(shù)為實現(xiàn)該類函數(shù)的初始化操作,其中WayPointV2InitSettings為航線任務結(jié)構(gòu)體,在該結(jié)構(gòu)體中主要規(guī)定了任務ID值,missionID,任務重復次數(shù)repeatTimes,航線結(jié)束時的動作finishedAction,最大飛行速度maxFlightSpeed,自動飛行速度autoFlightSpeed,前往第一個任務點的方式gotoFirstWaypointMode,以及裝載了任務航點的容器mission。downloadInitSetting()即從飛控設備下載航跡任務的初始化配置信息。start()函數(shù)用于啟動航線任務,stop()為停止航線任務,pause()函數(shù)用于暫停飛行任務,resume()用于重啟飛行任務,注意到,start()、stop()、pause()、resume()四個函數(shù)都繼承自dji_mission_base.hpp代碼。uploadMission()函數(shù)用于上傳任務航線,downloadMission()用于下載在飛控中的任務航線。uploadAction()用于上傳飛行器動作。RegisterMissionEventCallback()和RegisterMissionStateCallback()分別用于反饋目前的動作和狀態(tài)信息。

    代碼11:dji_waypoint_v2.hpp主要代碼:

    class WaypointV2MissionOperator

    {

    public:

    const uint16_t MAX_WAYPOINT_NUM_SIGNAL_PUSH = 260;

    WaypointV2MissionOperator(Vehicle* vehiclePtr);

    ~WaypointV2MissionOperator();

    ErrorCode::ErrorCodeType init(WayPointV2InitSettings *info, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType downloadInitSetting(WayPointV2InitSettingsInternal &info, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType start(int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType stop(int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType pause(int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType resume(int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType uploadMission(int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType downloadMission(std::vector&mission, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType getGlobalCruiseSpeed(GlobalCruiseSpeed &cruiseSpeed, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType setGlobalCruiseSpeed(const GlobalCruiseSpeed &cruiseSpeed, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType uploadAction(std::vector&actions, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType getActionRemainMemory(GetRemainRamAck &remainRamAck, int timeout);

    ErrorCode::ErrorCodeType getWaypointIndexInList(GetWaypontStartEndIndexAck &startEndIndexAck, int timeout);

    inline DJIWaypointV2MissionState getCurrentState() { return currentState; }

    inline DJIWaypointV2MissionState getPrevState() { return prevState; }

    void setPrevState(DJIWaypointV2MissionState state) {prevState = state; }

    void setCurrentState(DJIWaypointV2MissionState state) {currentState = state; }

    float32_t getTakeoffAltitude(){return takeoffAltitude;};

    void setTakeoffAltitude(float32_t altitude){ takeoffAltitude = altitude;};

    void RegisterMissionEventCallback(void *userData, PushCallback cb = NULL);

    void RegisterMissionStateCallback(void *userData, PushCallback cb = NULL) ;

    private:

    std::vector missionV2;

    DJIWaypointV2MissionState currentState;

    DJIWaypointV2MissionState prevState;

    Vehicle *vehiclePtr;

    float32_t takeoffAltitude;

    void RegisterOSDInfoCallback(Vehicle *vehiclePtr);

    };

    2.3.3.2.2.3 流程設計

    航線導入并啟動的功能實施流程如下:

    1)在之前已經(jīng)設計好航線的前提下,需要將該航行的數(shù)據(jù)點存儲模式修改為大疆指定的數(shù)據(jù)點存儲方式;

    2)將生成的航線通過API調(diào)用上傳航線任務的整體信息。

    3)一個航點任務包含航線飛行任務的ID、航點任務的航點數(shù)、任務重復次數(shù)、航點任務結(jié)束后的動作、最大飛行速度和巡航速度。

    4)上傳航點信息基礎參數(shù):航點坐標(設置航點的經(jīng)度、緯度和相對于起飛點的高度)、航點類型、航向類型和飛行速度??蛇x參數(shù):緩沖距離、航向角度、轉(zhuǎn)向模式、興趣點、單點最大飛行速度、單點巡航速度。

    5)將航線任務上傳至標校無人機飛控。

    6)控制無人機執(zhí)行航點任務。上傳完成后,標校無人機可通過開發(fā)者之前預設的動作,如開始、停止或暫停任務、設置或獲取巡航速度等。

    2.3.3.2.2.4 程序?qū)崿F(xiàn)

    本章節(jié)內(nèi)容旨在將上一章節(jié)內(nèi)容以代碼實現(xiàn)。

    1)首先判斷是否支持航線任務規(guī)劃的功能,通過如下代碼。

    代碼12:判斷函數(shù)是否支持功能

    if (!vehiclePtr->isM300()) {

    DSTATUS("This sample only supports M300!"); /*當前waypoint v2 僅支持M300機型*/

    return false;

    }

    int timeout = 1;

    GetRemainRamAck actionMemory = {0};

    ErrorCode::ErrorCodeType ret;

    if(!setUpSubscription(timeout))

    {

    DERROR("Failed to set up subscription!");

    return -1;

    }

    else

    {

    DSTATUS("Set up subscription successfully!");

    }

    /*! wait for subscription data come*/

    sleep(timeout);

    2)而后創(chuàng)建mission任務,初始化mission任務,用到initMissionSetting()函數(shù),該函數(shù)實現(xiàn)了任務初始化配置的功能,部分代碼見代碼7內(nèi)容。

    代碼13:上傳任務的代碼

    /*! init mission */ /* 初始化mission任務 */

    ret = initMissionSetting(timeout);

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    sleep(timeout);

    3)其中代碼8中為添加航跡點的核心代碼。是initMissionSetting代碼中內(nèi)容,通過這段代碼,添加每個航點信息。

    代碼14:上傳任務的代碼

    /*! Init waypoint settings*/

    WayPointV2InitSettings missionInitSettings;

    missionInitSettings.missionID = rand();

    missionInitSettings.repeatTimes = 1;

    missionInitSettings.finishedAction = DJIWaypointV2MissionFinishedGoHome;

    missionInitSettings.maxFlightSpeed = 10;

    missionInitSettings.autoFlightSpeed = 2;

    missionInitSettings.exitMissionOnRCSignalLost = 1;

    missionInitSettings.gotoFirstWaypointMode = DJIWaypointV2MissionGotoFirstWaypointModePointToPoint;

    missionInitSettings.mission = generatePolygonWaypoints(radius, polygonNum);

    missionInitSettings.missTotalLen = missionInitSettings.mission.size();

    ErrorCode::ErrorCodeType ret = vehiclePtr->waypointV2Mission->init(&missionInitSettings,timeout);

    4)代碼9的內(nèi)容是在代碼8中進一步展開,特別將generatePolygonWaypoints()函數(shù)單獨講解,這部分內(nèi)容是generatePolygonWaypoints()函數(shù)的內(nèi)容。該函數(shù)實現(xiàn)了航點數(shù)據(jù)的添加功能。這一步函數(shù)調(diào)用,也是實現(xiàn)在飛行軌跡設計完成之后,將設計的航跡進行轉(zhuǎn)換,使得無人機飛控可以使用的關(guān)鍵。

    代碼15:上傳任務的代碼

    std::vector WaypointV2MissionSample::generatePolygonWaypoints(float32_t radius, uint16_t polygonNum) {

    // Let's create a vector to store our waypoints in.

    std::vector waypointList;

    WaypointV2 startPoint;

    WaypointV2 waypointV2;

    Telemetry::TypeMap::type subscribeGPosition = vehiclePtr->subscribe->getValue();

    startPoint.latitude = subscribeGPosition.latitude;

    startPoint.longitude = subscribeGPosition.longitude;

    startPoint.relativeHeight = 15;

    setWaypointV2Defaults(startPoint);

    waypointList.push_back(startPoint);

    // Iterative algorithm

    for (int i = 0; i < polygonNum; i++) {

    float32_t angle = i * 2 * M_PI / polygonNum;

    setWaypointV2Defaults(waypointV2);

    float32_t X = radius * cos(angle);

    float32_t Y = radius * sin(angle);

    waypointV2.latitude = X/EARTH_RADIUS + startPoint.latitude;

    waypointV2.longitude = Y/(EARTH_RADIUS * cos(startPoint.latitude)) + startPoint.longitude;

    waypointV2.relativeHeight = startPoint.relativeHeight ;

    waypointList.push_back(waypointV2);

    waypointList.push_back(startPoint);

    return waypointList;

    }

    5)而后將自定義的航線任務上傳至無人機飛控。見代碼8內(nèi)容。

    代碼16:上傳任務的代碼

    /*! upload mission */

    /*! upload mission's timeout need to be longer than 2s*/

    int uploadMissionTimeOut = 3;

    ret = uploadWaypointMission(uploadMissionTimeOut); /* 上傳任務,注意注釋部分,這里的超時需要設置為3s, 設置為1時,可能因為上傳任務過多,報index錯誤*/

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    sleep(timeout);

    6)從飛控中下載航線,這一步可以起到檢查航線的作用。

    代碼17:下載并檢查任務的代碼

    /*! download mission */ /* 下載任務,可以查看對比上傳的任務 debug的時候可以用來對比排查問題 */

    std::vector mission;

    ret = downloadWaypointMission(mission, timeout);

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    sleep(timeout);

    7)而后上傳在航線進行過程中,需要涉及的一些飛行器動作。

    代碼18:上傳飛行器動作的代碼

    /*! upload actions */ /* 上傳actions:*/

    /*! check action memory */

    ret = getActionRemainMemory(actionMemory, timeout); //上傳action前先檢查action容量,避免上傳的任務過多導致action被擠掉了,執(zhí)行動作可能不完整。最大貌似為65535 byte

    if (actionMemory.remainMemory <= 0)

    {

    DSTATUS("action memory is not enough.Can not upload more action!");

    return ErrorCode::SysCommonErr::UndefinedError;

    }

    ret = uploadWapointActions(timeout);

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    ret = getActionRemainMemory(actionMemory, timeout);

    sleep(timeout);

    8)開始執(zhí)行飛行任務。

    代碼19:開始執(zhí)行飛行任務的代碼

    /*! start mission */

    ret = startWaypointMission(timeout); //開始執(zhí)行

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    sleep(20);

    9)設置飛行過程中的一些參數(shù),比如最大飛行速度等。

    代碼20:設置飛行參數(shù)的代碼

    /*! set global cruise speed */

    setGlobalCruiseSpeed(1.5, timeout); //設置巡航速度,巡航速度為全程航線的巡航速度,不是通過單點航點任務來設置的??梢栽趩吸c航點中更改,間接實現(xiàn)不同的航點以不同的速度運行。

    sleep(timeout);

    10)獲取巡航速度,以判斷飛行器飛行狀態(tài)。

    代碼21:獲取飛行參數(shù)的代碼

    /*! get global cruise speed */

    getGlobalCruiseSpeed(timeout);

    sleep(timeout);

    11)可以測試暫停飛行。

    代碼22:暫停飛行的代碼

    /*! pause the mission*/

    ret = pauseWaypointMission(timeout);

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    sleep(5);

    12)測試重啟飛行任務的功能。

    代碼23:重啟飛行的代碼

    printf("kyle test: pauseWaypointMission and resumeWaypointMission/n");

    /*! resume the mission*/

    ret = resumeWaypointMission(timeout); //暫停及回復航線指令

    if(ret != ErrorCode::SysCommonErr::Success)

    return ret;

    sleep(50);

    2.3.3.3 遠控機載應答機功能

    當無人機按照既定設計的航線自動飛行后,就需要考慮標校無人機機載應答機的控制問題。

    2.3.3.3.1 功能分析

    這部分功能需要根據(jù)應答機廠家所提供的API接口進行開發(fā),但是無論是哪家廠家,根據(jù)使用者的需求對接,軟件接口至少包含以下內(nèi)容。

    1)開關(guān)機控制;

    2)信號頻率的選擇;

    3)應答機信號發(fā)送強度的衰減值;

    4)在應答和信標模式之間切換;

    5)射頻信號是否允許輸出。

    6)網(wǎng)絡通信功能。可以將這部分功能設計為網(wǎng)絡通信的形式,與近端的應答機控制模塊進行通信,使其控制遠端的應答機。

    2.3.3.3.2 程序設計

    根據(jù)需求分析,可以將功能分為兩部分,一部分是參數(shù)設置模塊,一部分是網(wǎng)絡通信模塊。

    1)參數(shù)設置模塊。設計一個結(jié)構(gòu)體,將所有的參數(shù)包含在內(nèi),以方便使用和查看。

    代碼24:遠控應答機參數(shù)設置模塊

    Typedef struct

    {

    unsigned char OnOff;//開關(guān)機控制

    unsigned char FreqChoose;//頻率選擇

    unsigned char Attenuator;//衰減器控制

    unsigned char WorkMode;//工作方式

    unsigned char SPout;//射頻輸出允許

    }

    2)網(wǎng)絡通信模塊。

    代碼25:遠控應答機網(wǎng)絡通信模塊

    QudpSocket *SendudpSocket;

    SendudpSocket->writeDatagram(buf,len,QhostAddress(FSendIp),FSendPort);

    3 無人機標校應用場景

    在某次車載測控設備轉(zhuǎn)場后,受場地限制,沒有標校桿或者標校塔可供其進行標校,此時,需要起降標校無人機,進行標校。

    1)利用無人機標校系統(tǒng)生成飛行軌跡功能,輸入當?shù)氐沫h(huán)境因素,如溫濕壓,海拔,以及當?shù)刈鴺宋恢玫葏?shù),利用OSG在三維仿真空間中,生成飛行軌跡;

    2)利用無人機標校系統(tǒng)導入航線的功能,通過OSDK上傳飛行軌跡;

    3)利用無人機標校系統(tǒng)控制無人機的功能,控制無人機起飛,并飛行至等待點位置;

    4)通過無人機標校系統(tǒng)遠控機載應答機的功能,設置合適的應答機頻點及強度,并開啟應答機;

    5)標校無人機根據(jù)飛行軌跡實施完畢靜態(tài)及動態(tài)標校,并返航。

    4 結(jié)束語

    通過設計從生成飛行軌跡、到將飛行軌跡導入飛控并實施以及遠控應答機完整功能的軟件,并配套相應的硬件模塊,提升了無人機標校的可靠性、為后續(xù)無人機標校工作的推動提供了一套可行的技術(shù)方案。

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