散文網(wǎng) » 生活 »日常 » 競賽無人機搭積木式編程——以2022年TI電賽送貨無人機一等獎復(fù)現(xiàn)為例學(xué)習(xí)(7月B題)

競賽無人機搭積木式編程——以2022年TI電賽送貨無人機一等獎復(fù)現(xiàn)為例學(xué)習(xí)(7月B題)

2023-03-14 11:26 作者:無名創(chuàng)新開源無人機EDU 0人讀過 | 我要投稿

????????在學(xué)習(xí)本教程前，請確保已經(jīng)學(xué)習(xí)了前4講中無人機相關(guān)坐標(biāo)系知識、基礎(chǔ)飛行控制函數(shù)、激光雷達(dá)SLAM定位條件下的室內(nèi)定點控制、自動飛行支持函數(shù)、導(dǎo)航控制函數(shù)等入門階段的先導(dǎo)教程。

????????同時用戶在做二次開發(fā)自定義的飛行任務(wù)時，可以參照第5講中2021年國賽植保無人機G題中的編程思路，了解子線程執(zhí)行過程幾組關(guān)鍵變量的用法與實際作用效果。

????????了解了上述自主飛行任務(wù)設(shè)計關(guān)鍵要點后，下面我們以2022年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中B題送貨無人機中題目要求為例，編寫自動飛行任務(wù)函數(shù)完成比賽中的基礎(chǔ)部分+發(fā)揮部分+創(chuàng)新部分等所有賽題要求。

根據(jù)賽題要求，我們可以將設(shè)計的軟件部分拆解為以下三個部分：

機器視覺部分：需要識別底部目標(biāo)的顏色和形狀并通過SDK串口實現(xiàn)和飛控的數(shù)據(jù)交互；
飛控人機交互界面部分：按鍵、顯示屏配合實現(xiàn)目標(biāo)航點坐標(biāo)的錄入、學(xué)習(xí)到的目標(biāo)特征錄入、圓環(huán)的坐標(biāo)與角度信息錄入，將設(shè)置好的參數(shù)存儲在飛控EEPROM內(nèi)；
無人機自動飛行任務(wù)設(shè)計：完成自動起飛、根據(jù)現(xiàn)場錄入或者學(xué)習(xí)到的航點目標(biāo)進(jìn)行作業(yè)（包括作業(yè)高度調(diào)整、自動投放/回收裝置、蜂鳴器報警提示等）、執(zhí)行完畢后自動返航。

2.1 機器視覺部分軟件的設(shè)計

????????底部目標(biāo)特征點的顏色為紅色和藍(lán)色，可以通過OPENMV機器視覺模組的尋找色塊函數(shù)find_blob()對底部目標(biāo)進(jìn)行識別，我們可以判斷識別到的色塊的密度參數(shù)即blob.density()，可以很方便的區(qū)分出矩形、圓形、三角形。

? ? ? ?最后將識別到的色塊坐標(biāo)、色塊形狀等關(guān)鍵參數(shù)填入到目標(biāo)類中，編碼后通過串口發(fā)送到飛控SDK串口，飛控通過解析到的數(shù)據(jù)幀就能判斷出目標(biāo)點的形狀和顏色用于控制決策。

2.2 飛控人機交互界面軟件設(shè)計

????????依靠Tiva LaunchPad核心板上板載的兩個獨立按鍵SW1、SW2，同時配合OLED顯示屏實現(xiàn)對賽題中相關(guān)參數(shù)的進(jìn)行修改、存儲，新加功能需要兼容原來按鍵的翻頁切換的功能，就必須設(shè)置相應(yīng)的菜單界面配合按鍵的長按、短按響應(yīng)來予以實現(xiàn)。

????????菜單界面的包括換行參數(shù)選中、參數(shù)加減調(diào)整，由于按鍵功能復(fù)用的關(guān)系，操作起來相關(guān)比較繁瑣，用戶后期可以通過外接ADC按鍵的方式，用擴展按鍵實現(xiàn)本例中的按鍵操作功能，人機交互部分操作視頻教程見下方鏈接。

TI電賽B題送貨無人機通過按鍵、菜單對坐標(biāo)、模板進(jìn)行設(shè)置

https://www.bilibili.com/video/BV1PB4y1t7y9/?vd_source=fa3e626a57e95e09ecf1b8f1627e58ac

2.3 無人機自動飛行任務(wù)的軟件設(shè)計

????????第一階段——自動起飛到航巡高度

????????uint8_t Auto_Takeoff(float target)//自動起飛到某一高度

? ????函數(shù)輸入?yún)?shù)target為目標(biāo)高度，自動起飛任務(wù)分為兩個線程，第一步為記錄當(dāng)前3維位置信息，作為導(dǎo)航初始原點位置。并且通過導(dǎo)航控制函數(shù)設(shè)置期望目標(biāo)高度位置。第二步為實時檢測高度偏差值，連續(xù)2S滿足位置偏差在10cm以內(nèi)后，函數(shù)返回值置1后，自動起飛到目標(biāo)高度任務(wù)完成，用法參照Developer_Mode.c開發(fā)者模式中case 11用法，自主起飛任務(wù)完成后會進(jìn)入case 15/16/17執(zhí)行航點遍歷作業(yè)任務(wù)。

第二階段——航點遍歷作業(yè)任務(wù)

????????void Deliver_UAV_Basic(void)

????????第一步將高度期望設(shè)置成第一作業(yè)高度150cm，水平位置期望為初始起飛時候的水平位置，并設(shè)置激光筆為持續(xù)閃爍，便于裁判判斷飛機機身中心在地面上的投影位置，起飛點上方懸停時間設(shè)置為5S。

?????????起飛點上方懸停5S后，會將鍵盤輸入的第一個作業(yè)點的水平坐標(biāo)填入到期望的目標(biāo)位置，隨后飛機會執(zhí)行從起飛點正上方飛向第一作業(yè)點的動作，在執(zhí)行本任務(wù)中對水平位置誤差進(jìn)行實時檢測，連續(xù)N次水平位置誤差小于某一閾值，即可以認(rèn)為到達(dá)第一作業(yè)點正上方附近，滿足達(dá)到第一作業(yè)點條件后會將高度期望設(shè)置成第二作業(yè)高度，飛機高度會下降。

?????????第三步是判斷無人機是否到達(dá)第二作業(yè)高度，檢測高度是否達(dá)到的原理和水平方向一樣，同樣是檢測高度方向上位置誤差持續(xù)N次滿足某一閾值。

?????????第四步飛機處于第一作業(yè)點正上方附件，并且高度已經(jīng)調(diào)整為第二作業(yè)高度，此時由于定位傳感器會存在一定位置誤差，這個時候水平方向位置控制會引入OPENMV識別到的色塊坐標(biāo)信息，無人機會對水平位置進(jìn)行二次修正，使得無人機中心投影處于色塊的中心區(qū)域。相當(dāng)于用SLAM定位提供的位置信息做粗對準(zhǔn)，在接近作業(yè)點時使用機器視覺實現(xiàn)進(jìn)一步地精確對準(zhǔn)。

? ????? 與此同時會執(zhí)行吊艙下放動作指令，利用的是360度轉(zhuǎn)動的舵機，以某一角速度執(zhí)行一定時間予以實現(xiàn)，具體的時間角速度、時間參數(shù)和自己舵機選型、絞盤的半徑有關(guān)，這兩個參數(shù)在實際調(diào)試也比較容易確定。塔吊下方執(zhí)行完畢后會驅(qū)動高分貝蜂鳴器進(jìn)行報警提示，原地懸停5S之后抬升塔吊裝置并恢復(fù)到第一作業(yè)高度? ? ? ??

??????????第五步是無人機執(zhí)行完第一作業(yè)點任務(wù)并回到第一作業(yè)高度后，會想任務(wù)線程發(fā)布第二作業(yè)點的位置，與第一作業(yè)點類似無人機會到第二作業(yè)點正上方附近，隨即下降高度高第二作業(yè)高度，執(zhí)行視覺二次對準(zhǔn)、下放/抬升塔吊、蜂鳴器報警，之后重新返回到第一作業(yè)高度，準(zhǔn)備返航。

?????????這里需要注意的是程序在此處有一段特殊處理部分為SLAM建圖復(fù)位指令，在之所以需要這么操作的原因是減小定位誤差，NC360競賽無人機平臺使用的是2D激光雷達(dá)，理論上只適合平面運動機器人平臺的SLAM建圖，無人機在空中的線性運動為3維的，無人機在不同高度上，由于周圍環(huán)境的陳設(shè)布置變化會造成一定的定位誤差，通常在3~5cm以內(nèi)，該誤差范圍能滿足無人機在競賽中的控制精度要求。對于不同高度空間環(huán)境變化較大的情況，可以采用本方案中的特殊處理形式，本特殊處理方式非必須，用戶可以自己二次開發(fā)過程中根據(jù)實際情況來決策是否選用，同時對于末端降落過程，依然可以利用底部視覺特征精準(zhǔn)對準(zhǔn)的方法，實現(xiàn)精準(zhǔn)降落。

????????針對創(chuàng)新+發(fā)揮部分的自動學(xué)習(xí)和穿越圓環(huán)部分內(nèi)容，大體過程和本例程類似，差別在于坐標(biāo)是通過現(xiàn)場識別到的模板特征錄入的，這個處理過程主要工作量在于OPENMV部分，整個飛行任務(wù)執(zhí)行過程和基礎(chǔ)部分基本一樣，同時對于穿越圓環(huán)部分，通過手動輸入圓環(huán)的坐標(biāo)和大致角度后，整個飛行過程就是航點遍歷、機頭對準(zhǔn)圓環(huán)、穿越的過程，執(zhí)行完畢后返航降落，整個過程相比前兩項只是多了一個航向控制，相對來講實現(xiàn)難度并沒有拔高，仍然屬于常規(guī)考察項，用戶結(jié)合程序注釋可以比較容易理解，故在這里不做展開。