基于物聯(lián)網(wǎng)的無人機(jī)仿真與測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高宇航，向政蓉，黃慶南，吳和龍，吳其琦

（1.廣西科技大學(xué) 自動化學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西科技師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣西 來賓 546199；3.工信部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引 言

無人機(jī)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，例如利用無人機(jī)完成測量環(huán)境參數(shù)、搬運(yùn)貨物等任務(wù)[1-2]。由于影響飛行的不確定因素越來越多，因此對飛行控制系統(tǒng)（以下簡稱飛控）的設(shè)計(jì)與開發(fā)提出了更高的要求。Pixhawk 是一款開源、可二次開發(fā)的飛控，支持多旋翼、固定翼等類型的無人機(jī)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民用等領(lǐng)域得到了廣泛使用[3]。因此，針對Pixhawk 飛控設(shè)計(jì)飛行仿真系統(tǒng)用于驗(yàn)證無人機(jī)的新航線、新功能或新算法，都具有積極的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。對于飛控的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其正確性和穩(wěn)定性尤為重要。如果使用全軟件仿真對飛控系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，由于仿真環(huán)境理想化，因此無法反映無人機(jī)飛行時的真實(shí)情況；如果使用真實(shí)無人機(jī)測試，由于設(shè)計(jì)的飛控系統(tǒng)存在不確定性，可能會出現(xiàn)墜機(jī)危險，試驗(yàn)風(fēng)險大；而硬件在環(huán)仿真具有較真實(shí)的仿真效果，也不存在測試風(fēng)險，因此是一種較好的仿真方式。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多所科研單位以及高校對飛控硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究。呂永璽等人結(jié)合無人機(jī)數(shù)學(xué)模型和xPC 實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無人機(jī)飛控半實(shí)物仿真系統(tǒng)[6]；李瑞等人采用上位機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、飛控三部分相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了基于VxWorks 的四旋翼半實(shí)物仿真平臺[7]；Yaqub 等人通過飛控硬件控制無人機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了在環(huán)仿真系統(tǒng)，并使用FlightGear 顯示仿真飛行畫面[8]。目前，大多數(shù)無人機(jī)仿真系統(tǒng)使用專用飛控，缺乏通用性，難以推廣。此外，在仿真完成后，缺少實(shí)際飛行測試功能用以驗(yàn)證仿真效果。

因此，針對上述仿真系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的無人機(jī)仿真與測試系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Pixhawk 開源飛控，能夠?yàn)槭褂肞ixhawk 飛控的無人機(jī)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，具有良好的通用性；測試系統(tǒng)裝備了物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)單機(jī)或多機(jī)的遠(yuǎn)程測試；系統(tǒng)使用服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)，便于測試數(shù)據(jù)的采集、分析與管理。

1 總體設(shè)計(jì)方案

無人機(jī)仿真與測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)由無人機(jī)、云服務(wù)器、仿真計(jì)算機(jī)和飛行地面站組成，具備硬件在環(huán)仿真與實(shí)際飛行測試功能。在室內(nèi)仿真時，無人機(jī)與飛行地面站通過WiFi 連接云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面站的連接。飛控與仿真計(jì)算機(jī)連接后進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，使用飛控駕駛仿真計(jì)算機(jī)的無人機(jī)模型在虛擬環(huán)境中飛行，并將飛行數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器。在進(jìn)行室外飛行測試時，飛控駕駛真實(shí)無人機(jī)飛行，無人機(jī)和地面站通過5G 網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器連接，使得無人機(jī)具備遠(yuǎn)程通信能力，地面站能夠控制單機(jī)或多機(jī)同時飛行。在無人機(jī)飛行過程中把飛行數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送到云服務(wù)器中，并存儲在云服務(wù)器。當(dāng)無人機(jī)飛行測試完畢后，從云服務(wù)器獲取飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 無人機(jī)仿真與測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使無人機(jī)具備物聯(lián)網(wǎng)接入功能，在Pixhawk 飛控上進(jìn)行硬件二次開發(fā)，在原硬件的基礎(chǔ)上加入了5G 與WiFi 模塊。當(dāng)無人機(jī)在室外進(jìn)行真實(shí)飛行測試時，使用5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)長距離數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)在室內(nèi)仿真時，使用WiFi 傳輸數(shù)據(jù)，以減少流量的消耗。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Pixhawk 飛控硬件結(jié)構(gòu)

Pixhawk 飛控采用帶有FMU 的32 位STM32F427 芯片作為主處理器[9]，采用STM32F103 芯片作為協(xié)處理器，并采用雙加速度計(jì)和雙陀螺儀結(jié)構(gòu)，保證無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性[10-11]。主處理器與協(xié)處理器間通過DMA 交互，如果在無人機(jī)飛行時主處理器發(fā)生錯誤，無法對動力系統(tǒng)進(jìn)行控制，此時協(xié)處理器獲得電機(jī)的控制權(quán)，控制電機(jī)在安全模式下繼續(xù)運(yùn)行，直到檢測到主處理器能夠正常控制電機(jī)為止。因此，采用主協(xié)雙處理器結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。姿態(tài)控制模塊通過加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)對無人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行感知和測量，位置控制模塊通過GPS 和氣壓計(jì)對無人機(jī)當(dāng)前所處的位置及高度進(jìn)行測量。

對飛控硬件二次開發(fā)的重點(diǎn)是加入物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，其中，5G 模塊選用的是移遠(yuǎn)RG200U 模組，該模組支持國內(nèi)四大運(yùn)營商，內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，集成了多個工業(yè)接口，支持多種驅(qū)動和軟件，適用于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；WiFi 模塊選用ESP8266 芯片，該芯片具有超低功耗，并且性能穩(wěn)定，有多種工作模式和外設(shè)功能，可滿足室內(nèi)仿真時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩12]。為了把通信模塊封裝在飛控內(nèi)，重新設(shè)計(jì)了飛控電路板與外殼，如圖3 所示。新設(shè)計(jì)采用微型鍍金航空插頭引出所有信號線，提高了連接的可靠性；為傳感器模塊構(gòu)建避震結(jié)構(gòu)以提高飛行穩(wěn)定性；使用鋁合金外殼以提高抗電磁干擾能力。

圖3 具有物聯(lián)功能的Pixhawk 飛控

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4 所示。仿真系統(tǒng)主要由Pixhawk 飛控和仿真計(jì)算機(jī)組成。飛控作為硬件部分接入仿真系統(tǒng)，仿真計(jì)算機(jī)運(yùn)行無人機(jī)仿真模型與虛擬飛行場景，通俗地說，硬件在環(huán)仿真就是使用飛控駕駛計(jì)算機(jī)中的無人機(jī)模型在虛擬場景中飛行。無人機(jī)仿真模型輸出位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)（簡稱位姿數(shù)據(jù)）送至飛控的內(nèi)核，運(yùn)算后得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，內(nèi)核再把轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，控制仿真模型，形成硬件在環(huán)的閉環(huán)控制。

圖4 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

仿真計(jì)算機(jī)運(yùn)行MATLAB 軟件，在SimuLink 環(huán)境中運(yùn)行無人機(jī)模型，同時嵌入運(yùn)行視景窗口軟件[13]。無人機(jī)仿真模型的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，包括動力單元模型、控制效率模型和無人機(jī)剛體模型。模型的輸入信號為四軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，輸出為模型的位姿數(shù)據(jù)[14]。視景窗口選用FlightGear 開源飛行模擬軟件，使用位姿數(shù)據(jù)顯示仿真過程中無人機(jī)模型的飛行畫面。使用Mission planner 地面站軟件實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行控制、參數(shù)設(shè)定與狀態(tài)監(jiān)控等功能[15]。

圖5 無人機(jī)仿真模型

為了使Pixhawk 飛控具備硬件在環(huán)仿真功能，在原生軟件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了仿真接口程序。接口程序從飛控串口接收仿真計(jì)算機(jī)的位姿數(shù)據(jù)，再傳遞到飛控內(nèi)核參與運(yùn)算；同時，從飛控內(nèi)核取出電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送至仿真計(jì)算機(jī)。當(dāng)進(jìn)行硬件在環(huán)仿真時，通過參數(shù)設(shè)定切換器使用外部位姿數(shù)據(jù)，飛控根據(jù)位姿數(shù)據(jù)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，在無人機(jī)模型與飛控間形成閉環(huán)的飛行控制。當(dāng)進(jìn)行實(shí)飛測試時，設(shè)定切換器使用傳感器解算得到的位姿數(shù)據(jù)，在飛控與無人機(jī)間形成閉環(huán)控制環(huán)路，控制真實(shí)無人機(jī)在真實(shí)環(huán)境下飛行。

4 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛控測試系統(tǒng)在四旋翼無人機(jī)上搭建，硬件主要包括四軸機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)、遙控器等固有設(shè)備，以及經(jīng)過二次開發(fā)后包含了5G 模塊與WiFi 模塊的Pixhawk 飛控。在軟件設(shè)計(jì)方面，主要是在Pixhawk 原生軟件中加入相關(guān)通信功能，實(shí)現(xiàn)飛控通信功能的軟件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。主要包括飛控內(nèi)核、MAVLink 通信協(xié)議以及自主設(shè)計(jì)的5G 驅(qū)動和WiFi 驅(qū)動。在傳輸數(shù)據(jù)時，飛控內(nèi)核使用MAVLink 協(xié)議把無人機(jī)的位置數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、心跳數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)封裝成為MAVLink數(shù)據(jù)包，再通過5G 或WiFi 驅(qū)動傳輸?shù)较鄳?yīng)的通信模塊。當(dāng)通信模塊收到地面站發(fā)送的控制指令時，利用MAVLink 協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，讀出相應(yīng)指令后傳輸至飛控內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

圖6 飛控通信功能結(jié)構(gòu)

MAVLink 通信協(xié)議是一個專門為微型飛行器設(shè)計(jì)的只由頭文件構(gòu)成的信息編組庫，用于無人機(jī)與地面站之間的雙向通信，該通信協(xié)議具有高效、穩(wěn)定、多機(jī)通信等特點(diǎn)[16]。在通信過程中，TCP/IP 協(xié)議把MAVLink 數(shù)據(jù)包傳輸至服務(wù)器，MAVLink 數(shù)據(jù)包成為TCP/IP 協(xié)議的載荷。TCP/IP 與MAVLink 的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 TCP/IP 與MAVLink 的關(guān)系

服務(wù)器的功能是存儲測試數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)發(fā)飛控與地面站之間的通信數(shù)據(jù)，成為兩者之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。服?wù)器軟件的邏輯功能結(jié)構(gòu)如圖8 所示。服務(wù)器主要由MAVLink 解析與封裝模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊組成。當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)送指令時，服務(wù)器先解析MAVLink，獲取目標(biāo)無人機(jī)編號后再把數(shù)據(jù)包發(fā)送至相應(yīng)的無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)指令的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)飛控向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，服務(wù)器先解析MAVLink，如果是數(shù)據(jù)包則送到數(shù)據(jù)存儲模塊存儲，如果是心跳包則發(fā)送給地面站。

圖8 服務(wù)器軟件功能結(jié)構(gòu)

5 仿真與測試

無人機(jī)仿真與測試系統(tǒng)實(shí)物如圖9 所示，包括四旋翼無人機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)與地面站。無人機(jī)的飛控經(jīng)過二次開發(fā)后具備了仿真與通信功能。飛控與仿真計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，在圖中四旋翼無人機(jī)的基礎(chǔ)上構(gòu)建無人機(jī)的仿真模型。無人機(jī)與地面站同時連接云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面站的互連。在進(jìn)行硬件在環(huán)仿真時，首先借助參數(shù)指定飛控使用無人機(jī)仿真模型的位姿數(shù)據(jù)；然后運(yùn)行SimuLink 中的無人機(jī)模型，與飛控進(jìn)行位姿數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的交互通信；通過FlightGear 視景窗口顯示無人機(jī)的3D 飛行畫面，并使用Mission Planner 地面站對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和分析，仿真飛行界面如圖10 所示。硬件在環(huán)仿真完成后，修改參數(shù)，指定飛控使用真實(shí)無人機(jī)的位姿數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行室外實(shí)際飛行測試。無論是仿真或?qū)嶏w測試，飛行數(shù)據(jù)都保存在云服務(wù)器中，供后期分析使用。

圖9 硬件在環(huán)飛行仿真系統(tǒng)實(shí)物

圖10 無人機(jī)仿真飛行界面

為驗(yàn)證仿真效果的真實(shí)度，使用相同航線進(jìn)行仿真飛行與真機(jī)飛行。飛行航線如圖11 所示，航線中共設(shè)有7 個航點(diǎn)，無人機(jī)從初始位置航點(diǎn)H 起飛，高度設(shè)定為20 m，飛到2 號航點(diǎn)（2 號航點(diǎn)與6 號航點(diǎn)重合），按照航點(diǎn)順序繞航線飛行，直到飛到6 號航點(diǎn)，無人機(jī)自動返回初始航點(diǎn)，至此完成一次飛行，航時約160 s。

圖11 無人機(jī)飛行航線

完成仿真與測試后，從服務(wù)器獲取仿真飛行與真機(jī)飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖12 是無人機(jī)橫滾角、俯仰角和偏航角的數(shù)據(jù)曲線。數(shù)據(jù)曲線顯示，整個飛行過程中各種角度的曲線在兩種飛行模式下變化趨勢一致，沒有出現(xiàn)發(fā)散或者振蕩等異常情況；在局部放大圖中，兩種飛行模式的曲線在相互交織與小幅波動中隨時間軸延伸，表明數(shù)據(jù)差異小，一致性好。然后再綜合分析位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)等，表明仿真的真實(shí)度較高。

圖12 無人機(jī)姿態(tài)角曲線

為降低真機(jī)飛行時受風(fēng)力、風(fēng)向與氣壓等環(huán)境因素帶來的隨機(jī)性，讓多機(jī)同時飛行采集多份數(shù)據(jù)，經(jīng)過多數(shù)據(jù)融合后能更好分析仿真的真實(shí)度。多機(jī)飛行測試時仍然使用圖10的航線，但在水平位置上錯開以避免撞機(jī)。圖13 為仿真模型與三架無人機(jī)的飛行高度，數(shù)據(jù)顯示，四條曲線一致性較好。在無人機(jī)上升至20 m 的飛行高度后，三機(jī)的飛行曲線在仿真曲線上下小幅波動，表明仿真曲線與實(shí)飛曲線較接近。各條曲線未出現(xiàn)斷續(xù)等異常情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信功能的準(zhǔn)確性。

圖13 無人機(jī)飛行高度

6 結(jié) 語

本文首次提出并實(shí)現(xiàn)了在Pixhawk 開源飛控上增加硬件在環(huán)仿真功能，從而為大量使用Pixhawk 飛控的無人機(jī)進(jìn)行仿真，具有較好通用性與實(shí)用價值。在Pixhawk 飛控上增加了物聯(lián)網(wǎng)通信功能，成功把仿真功能與測試功能相結(jié)合，為仿真結(jié)果的驗(yàn)證與測試工作帶來很大便利。目前，仿真與測試系統(tǒng)僅是一個雛形，系統(tǒng)仍然依賴MATLAB、FlightGear與Mission Planner 等軟件，若能把相關(guān)功能整合在一個軟件中，則功能將更強(qiáng)大，操作更便利，更易于推廣應(yīng)用。

注：本文通訊作者為向政蓉。