无人机多任务寻径仿真软件与实验平台(一)
项目背景:
近年来,无人机的应用领域已经得到了极大的拓展,旋翼无人机凭借较大的载荷,稳定的飞行状态与对高空环境的高度适应,成为了应用最为广泛的一类无人机。
在欧洲,北美洲等地区,存在大量人烟稀少,信号质量较差乃至无信号的森林,荒原地区,对这些地区进行环境实时监测成为了一项重要工作,由于缺乏基础设施建设以及地面环境复杂,设置无源的检测平台成为了可行的方案,而如何从这些分布广泛的平台采集数据成为了项目的难点。为此,旋翼无人机提供了一种策略,既通过旋翼无人机周期性的飞行,在一定区域内的所有无源监测站上空采集数据,并最终由无人机传输到数据中心。在可以预见的未来,无人机甚至可以胜任更换电池,调整监测站位置,定点提取等任务,最终打造智能,可靠,可持续的空中地面物联网网络。
为了满足上述基本要求,旋翼无人机的路径选择算法成为了核心问题之一,由于无人机通常能源有限,飞行速度也有限制,高效节能地对数据进行采集需要一系列路径优化算法进行支持,也需要搭建基础实验平台,在野外实验之前进行提前验证。本项目的目标即是搭建模拟平台与室内无人机实验平台,对各类路径优化算法的性能进行直观的测试和验证,以及提出一种路径优化算法,对无人机多目标的工作路径进行进一步优化,以起到节约能源提高效率的最终目的。
本项目的核心难点在于数据的提取,转换与处理,以及路径算法的构建。当前的旋翼无人机需要根据原厂提供的development kit进行扩展开发,其数据接口与实验器材提供的坐标数据存在较大差异,此外对于室内测定的任务点,如何转化成位于模拟平台上的可视化的坐标点,并进行后续路径规划将是亟待解决的问题。在模拟平台构建成功后,还需要开发路径算法模块,对多种路径优化算法进行测试以评价其优越性。最终,项目需要落实到硬件上,将模拟平台上的飞行控制导入实验平台,通过实际测试验证项目成果。
出自项目开题报告白皮书
目标:
本项目到截止时需要至少有以下成果:
1.电脑端可视化应用既“无人机寻径仿真平台”,需要用图形化界面展现对于室内多航点任务的执行过程,在界面中用户可以通过点击或者手动设置坐标形式来设置实验航点,但大多数情况下为了验证飞行效果,需要由外部导入精确坐标点,该坐标点由nokov动作捕捉设备提取。
2.简单无人机飞控软件,该软件通过遥控器向Mavic2发出指令,实现室内航点飞行。通过dji sdk进行飞控软件开发,实现室内环境下无人机精确定点飞行。需要实现无人机坐标系和室内试验场坐标系的转换。此外通过数据接口可以获取无人机电量,载荷等情况,用于分析。
3.寻径算法云计算模块,从1中获取精确坐标点,由枚举+优化或其它启发式算法计算飞行路径,并将航点顺序反馈给1,2,在1中实现软件仿真,在2中控制无人机在室内执行飞行过程。
上述三部分基本形式如图:
实现上述目标后,通过录像记录部分实验结果,进行展示。
难点分析:
1.坐标转换。对于Mavic2无人机来说,飞行控制基于以本机为坐标原点的坐标系,而在实验室环境下需要通过实验室坐标来控制定点飞行,因此在将坐标信息输入无人机之前需要进行坐标系转换工作,这部分工作难度较大,但是一旦实现单个定点飞行,则后续许多问题都将迎刃而解。
2.模拟仿真平台构建。构建模拟仿真平台将不得不考虑无人机的所受的物理影响,为了简单起见,这里仅仅采用最基本的几项参数,如无人机飞行速度等进行模拟,这部分需要形成图形界面,相对工程难度和代码量都很大。
3.数据网络搭建。Nokov设备本身连接seeker软件,而该软件可以通过vrpn服务器向ros广播数据,这部分就需要搭建实验室局域网,此外云计算平台返回的结果也需要通过互联网来传输,飞控软件也需要局域网来获取来自模拟仿真平台的数据,因此实验室搭建数据网络就成为了重要工作,如何保证数据准确顺利,低延迟地传递也是难题。
4.优化算法:对各类枚举、启发式搜索、最优化算法的效果进行验证,可能的情况下需要对先前的算法提供优化。
5.时间紧迫。
里程碑(加粗为早期里程碑):
1.编写最基础的通过软件控制无人机飞行的控制器,实现无人机按照指令移动。(无需界面和定点飞行。)
2.实现坐标转换与无人机定点飞行,验证准确性。
3.搭建基本云计算框架,并至少填充一种算法,从接口返回路径数据。
4.能够从动作捕捉软件接收到数据,并通过接口发送给其它软件,实现数据传输。
5.实现无人机多个点连续飞行。
6.实现控制软件和模拟仿真平台的对接(通过数据接口)
7.实现无人机飞行数据的反馈。
8.在屏幕上显示与飞行路径,无人机相关的信息,并允许用户自行设置航点。
9.在8的基础上,由nokov设备读入航点。
10.实现无人机在室内按照路径定点飞行。
开发过程反馈:
每周5晚7点例会,组员每周至少更新一篇博客,项目博客两周更新一次最新进度,对于难以攻克的问题及时反馈,共同讨论。
前瞻性扩展:
1.对于单个模拟仿真软件,未来可以连接多个无人机飞控软件,而实现多无人机协同测试。(目前考虑到室内空间和技术问题,实现难度较大。)
2.基于真实物理的模拟仿真。
3.无人机高度控制(将实验场景扩展到三维界面)(暂不考虑)
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