基于物联网的无人机仿真与测试系统设计.pdf

物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application600 引 言无人机结合物联网的应用越来越广泛，例如利用无人机完成测量环境参数、搬运货物等任务1-2。由于影响飞行的不确定因素越来越多，因此对飞行控制系统（以下简称飞控）的设计与开发提出了更高的要求。Pixhawk 是一款开源、可二次开发的飞控，支持多旋翼、固定翼等类型的无人机，在工业、农业、民用等领域得到了广泛使用3。因此，针对Pixhawk 飞控设计飞行仿真系统用于验证无人机的新航线、新功能或新算法，都具有积极的现实意义4-5。对于飞控的设计，验证其正确性和稳定性尤为重要。如果使用全软件仿真对飞控系统进行验证，由于仿真环境理想化，因此无法反映无人机飞行时的真实情况；如果使用真实无人机测试，由于设计的飞控系统存在不确定性，可能会出现坠机危险，试验风险大；而硬件在环仿真具有较真实的仿真效果，也不存在测试风险，因此是一种较好的仿真方式。目前，国内外已经有多所科研单位以及高校对飞控硬件在环仿真系统进行研究。吕永玺等人结合无人机数学模型和xPC 实时系统设计了无人机飞控半实物仿真系统6；李瑞等人采用上位机、仿真计算机、飞控三部分相结合的方式设计了基于 VxWorks 的四旋翼半实物仿真平台7；Yaqub 等人通过飞控硬件控制无人机模型，实现了在环仿真系统，并使用FlightGear 显示仿真飞行画面8。目前，大多数无人机仿真系统使用专用飞控，缺乏通用性，难以推广。此外，在仿真完成后，缺少实际飞行测试功能用以验证仿真效果。因此，针对上述仿真系统的不足，设计了基于物联网的无人机仿真与测试系统。系统基于 Pixhawk 开源飞控，能够为使用 Pixhawk 飞控的无人机进行硬件在环仿真，具有良好的通用性；测试系统装备了物联网通信设备，能够实现单机或多机的远程测试；系统使用服务器存储数据，便于测试数据的采集、分析与管理。1 总体设计方案无人机仿真与测试系统结构如图 1 所示。系统由无人机、云服务器、仿真计算机和飞行地面站组成，具备硬件在环仿真与实际飞行测试功能。在室内仿真时，无人机与飞行地面站通过 WiFi 连接云服务器，实现无人机与地面站的连接。飞控与仿真计算机连接后进行硬件在环仿真，使用飞控驾驶仿真计算机的无人机模型在虚拟环境中飞行，并将飞行数据发送至云服务器。在进行室外飞行测试时，飞控驾驶真实无人机飞行，无人机和地面站通过 5G 网络与云服务器连接，使得无人机具备远程通信能力，地面站能够控制单机或多机同时飞行。在无人机飞行过程中把飞行数据通过物联网设备发送到云服务器中，并存储在云服务器。当无人机飞行测试完毕后，从云服务器获取飞行数据进行分析。2 硬件系统设计为了使无人机具备物联网接入功能，在 Pixhawk 飞控上进行硬件二次开发，在原硬件的基础上加入了 5G 与 WiFi 模基于物联网的无人机仿真与测试系统设计高宇航1，向政蓉2，黄庆南1，吴和龙3，吴其琦1（1.广西科技大学 自动化学院，广西 柳州 545006；2.广西科技师范学院 机电学院，广西 来宾 546199；3.工信部电子第五研究所，广东 广州 511370）摘 要：无人机仿真系统在无人机功能测试、航线校验或算法验证方面发挥着重要的作用。针对目前多数无人机仿真系统普遍存在的缺乏通用性、功能单一等弊端，设计了一套无人机仿真与测试系统。该系统在广泛应用的Pixhawk 开源飞控上实现，能够对大量使用 Pixhawk 飞控的无人机进行硬件在环仿真与真机测试；同时飞行测试数据使用物联网传输与存储，实现了多机与远距离飞行测试。经过仿真与实飞测试，系统的仿真程度较高、功能较完备、便于推广应用。关键词：无人机；Pixhawk 飞控；硬件在环仿真；物联网；STM32F103；MAVLink中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）12-0060-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.12.016收稿日期：2023-02-13 修回日期：2023-03-21基金项目：广西科技师范学院青年科研基金（自科GXKS2022 QNO27）；广东省重点领域研发计划（2020B040402 0002）2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application61块。当无人机在室外进行真实飞行测试时，使用 5G 网络实现长距离数据传输；当在室内仿真时，使用 WiFi 传输数据，以减少流量的消耗。系统硬件结构如图 2 所示。图 1 无人机仿真与测试系统结构图 2 Pixhawk 飞控硬件结构Pixhawk 飞控采用带有 FMU 的 32 位 STM32F427 芯片作为主处理器9，采用 STM32F103 芯片作为协处理器，并采用双加速度计和双陀螺仪结构，保证无人机飞行的稳定性10-11。主处理器与协处理器间通过 DMA 交互，如果在无人机飞行时主处理器发生错误，无法对动力系统进行控制，此时协处理器获得电机的控制权，控制电机在安全模式下继续运行，直到检测到主处理器能够正常控制电机为止。因此，采用主协双处理器结构能够提高系统的稳定性和安全性。姿态控制模块通过加速度计、陀螺仪、磁力计对无人机的姿态进行感知和测量，位置控制模块通过 GPS 和气压计对无人机当前所处的位置及高度进行测量。对飞控硬件二次开发的重点是加入物联网通信模块，其中，5G 模块选用的是移远 RG200U 模组，该模组支持国内四大运营商，内置丰富的网络协议，集成了多个工业接口，支持多种驱动和软件，适用于大多数物联网设备；WiFi 模块选用 ESP8266 芯片，该芯片具有超低功耗，并且性能稳定，有多种工作模式和外设功能，可满足室内仿真时数据传输的要求12。为了把通信模块封装在飞控内，重新设计了飞控电路板与外壳，如图 3 所示。新设计采用微型镀金航空插头引出所有信号线，提高了连接的可靠性；为传感器模块构建避震结构以提高飞行稳定性；使用铝合金外壳以提高抗电磁干扰能力。图 3 具有物联功能的 Pixhawk 飞控3 仿真系统设计硬件在环仿真系统设计方案如图 4 所示。仿真系统主要由 Pixhawk 飞控和仿真计算机组成。飞控作为硬件部分接入仿真系统，仿真计算机运行无人机仿真模型与虚拟飞行场景，通俗地说，硬件在环仿真就是使用飞控驾驶计算机中的无人机模型在虚拟场景中飞行。无人机仿真模型输出位置与姿态数据（简称位姿数据）送至飞控的内核，运算后得到转速数据，内核再把转速数据送至计算机，控制仿真模型，形成硬件在环的闭环控制。图 4 硬件在环仿真系统设计方案仿真计算机运行 MATLAB 软件，在 SimuLink 环境中运行无人机模型，同时嵌入运行视景窗口软件13。无人机仿真模型的结构如图 5 所示，包括动力单元模型、控制效率模型和无人机刚体模型。模型的输入信号为四轴电机的转速数据，输出为模型的位姿数据14。视景窗口选用 FlightGear 开源飞行模拟软件，使用位姿数据显示仿真过程中无人机模型的飞行画面。使用 Mission planner 地面站软件实现无人机的飞行控制、参数设定与状态监控等功能15。图 5 无人机仿真模型为了使 Pixhawk 飞控具备硬件在环仿真功能，在原生软件的基础上，设计了仿真接口程序。接口程序从飞控串口接物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application62收仿真计算机的位姿数据，再传递到飞控内核参与运算；同时，从飞控内核取出电机的转速数据，通过串口发送至仿真计算机。当进行硬件在环仿真时，通过参数设定切换器使用外部位姿数据，飞控根据位姿数据计算电机转速，在无人机模型与飞控间形成闭环的飞行控制。当进行实飞测试时，设定切换器使用传感器解算得到的位姿数据，在飞控与无人机间形成闭环控制环路，控制真实无人机在真实环境下飞行。4 测试系统设计飞控测试系统在四旋翼无人机上搭建，硬件主要包括四轴机架、电机、电调、遥控器等固有设备，以及经过二次开发后包含了 5G 模块与 WiFi 模块的 Pixhawk 飞控。在软件设计方面，主要是在 Pixhawk 原生软件中加入相关通信功能，实现飞控通信功能的软件结构如图 6 所示。主要包括飞控内核、MAVLink通信协议以及自主设计的5G驱动和WiFi驱动。在传输数据时，飞控内核使用 MAVLink 协议把无人机的位置数据、姿态数据、心跳数据等关键数据封装成为 MAVLink数据包，再通过 5G 或 WiFi 驱动传输到相应的通信模块。当通信模块收到地面站发送的控制指令时，利用 MAVLink 协议解析数据包，读出相应指令后传输至飞控内核，实现对无人机的远程控制。图 6 飞控通信功能结构MAVLink 通信协议是一个专门为微型飞行器设计的只由头文件构成的信息编组库，用于无人机与地面站之间的双向通信，该通信协议具有高效、稳定、多机通信等特点16。在通信过程中，TCP/IP 协议把 MAVLink 数据包传输至服务器，MAVLink 数据包成为 TCP/IP 协议的载荷。TCP/IP 与MAVLink 的关系如图 7 所示。图 7 TCP/IP 与 MAVLink 的关系服务器的功能是存储测试数据以及转发飞控与地面站之间的通信数据，成为两者之间数据传输的桥梁。服务器软件的逻辑功能结构如图 8 所示。服务器主要由 MAVLink 解析与封装模块、数据存储模块、转发模块组成。当地面站发送指令时，服务器先解析 MAVLink，获取目标无人机编号后再把数据包发送至相应的无人机，实现指令的转发。当飞控向服务器发送数据时，服务器先解析 MAVLink，如果是数据包则送到数据存储模块存储，如果是心跳包则发送给地面站。图 8 服务器软件功能结构5 仿真与测试无人机仿真与测试系统实物如图 9 所示，包括四旋翼无人机、仿真计算机与地面站。无人机的飞控经过二次开发后具备了仿真与通信功能。飞控与仿真计算机相连进行硬件在环仿真，在图中四旋翼无人机的基础上构建无人机的仿真模型。无人机与地面站同时连接云服务器，实现无人机与地面站的互连。在进行硬件在环仿真时，首先借助参数指定飞控使用无人机仿真模型的位姿数据；然后运行 SimuLink 中的无人机模型，与飞控进行位姿数据与转速数据的交互通信；通过 FlightGear 视景窗口显示无人机的 3D 飞行画面，并使用 Mission Planner 地面站对飞行数据进行观测和分析，仿真飞行界面如图 10 所示。硬件在环仿真完成后，修改参数，指定飞控使用真实无人机的位姿数据，然后进行室外实际飞行测试。无论是仿真或实飞测试，飞行数据都保存在云服务器中，供后期分析使用。图 9 硬件在环飞行仿真系统实物图 10 无人机仿真飞行界面为验证仿真效果的真实度，使用相同航线进行仿真飞行与真机飞行。飞行航线如图 11 所示，航线中共设有 7 个航点，无人机从初始位置航点 H 起飞，高度设定为 20 m，飞到2 号航点（2 号航点与 6 号航点重合），按照航点顺序绕航线飞行，直到飞到 6 号航点，无人机自动返回初始航点，至此2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application63完成一次飞行，航时约 160 s。图 11 无人机飞行航线完成仿真与测试后，从服务器获取仿真飞行与真机飞行的数据进行分析。图 12 是无人机横滚角、俯仰角和偏航角的数据曲线。数据曲线显示，整个飞行过程中各种角度的曲线在两种飞行模式下变化趋势一致，没有出现发散或者振荡等异常情况；在局部放大图中，两种飞行模式的曲线在相互交织与小幅波动中随时间轴延伸，表明数据差异小，一致性好。然后再综合分析位置数据、速度数据与转速数据等，表明仿真的真实度较高。图 12 无人机姿态角曲线为降低真机飞行时受风力、风向与气压等环境因素带来的随机性，让多机同时飞行采集多份数据，经过多数据融合后能更好分析仿真的真实度。多机飞行测试时仍然使用图 10的航线，但在水平位置上错开以避免撞机。图 13 为仿真模型与三架无人机的飞行高度，数据显示，四条曲线一致性较好。在无人机上升至 20 m 的飞行高度后，三机的飞行曲线在仿真曲线上下小幅波动，表明仿真曲线与实飞曲线较接近。各条曲线未出现断续等异常情况，验证了系统物联网通信功能的准确性。图 13 无人机飞行高度6 结 语本文首次提出并实现了在 Pixhawk 开源飞控上增加硬件在环仿真功能，从而为大量使用 Pixhawk 飞控的无人机进行仿真，具有较好通用性与实用价值。在 Pixhawk 飞控上增加了物联网通信功能，成功把仿真功能与测试功能相结合，为仿真结果的验证与测试工作带来很大便利。目前，仿真与测试系统仅是一个雏形，系统仍然依赖 MATLAB、FlightGear与 Mission Planner 等软件，若能把相关功能整合在一个软件中，则功能将更强大，操作更便利，更易于推广应用。注：本文通讯作者为向政蓉。参考文献1 盛希宁.基于四旋翼无人机的区域环境监测系统 J.物联网技术，2021，11（4）：3.2 张嘉蕾.无人机末端配送仿真系统设计与实现 D.北京：北京邮电大学，2021.3 郝雅洁，史维杰，赵明霞，等.论无人机技术在农业领域的应用 J.物联网技术，2019，9（9）：59-62.4 祁芳超.基于 PIXHAWK 的小型固定翼的飞行控制研究 D.沈阳：沈阳航空航天大学，2017.5 NGUYEN K D，HA C.Development of hardware-in-the-loop simulation based on gazebo and pixhawk for unmanned aerial vehicles J.International journal of aeronautical and space sciences，2018：238-249.6 吕永玺，屈晓波，史静平.无人机飞行控制半实物仿真系统设计与实现 J.实验技术与管理，2021，38（3）：153-157.7 李瑞，史莹晶，李青松.基于 VxWorks 的小型四旋翼飞行器半实物仿真平台设计 J.实验室研究与探索，2018，37（8）：88-93.8 PRABOWO Y A，TRILAKSONO B R，TRIPUTRA F R.Hardware In-the-Loop Simulation for Visual Servoing of Fixed Wing UAV C/2015 International Conference on Electrical Engineering and Informatics.IEEE，2015.9 田新锋.基于 STM32F4 的一体化飞行控制单元硬件设计 J.指挥控制与仿真，2019，41（4）：102-106.10 MEIER L，HONEGGER D，POLLEFEYS M.PX4：A node-based multithreaded open source robotics framework for deeply embedded platforms C/IEEE International Conference on Robotics&Automation.IEEE，2015：6235-6240.11 EBEID E，SKRIVER M，TERKILDSEN K H，et al.A survey of open-source UAV flight controllers and flight simulators J.Microprocessors and microsystems，2018：61.12 方鹏，李维波，郝春昊，等.基于 ESP8266 的双 CPU 小功率多通道充电智能控制终端 J.现代电子技术，2022，45（22）：7.13 高艳辉，肖前贵，徐义华，等.无人机数字仿真平台的设计与实现 J.指挥控制与仿真，2014，36（1）：104-110.14 全权.多旋翼飞行器设计与控制 M.北京：电子工业出版社，2018.（下转第 66页）物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application66敏电阻的阻值与光照强度呈负相关，光敏电阻的阻值变化还与光的波长、光敏电阻本身的材料特性有关8-10，因此在选择光敏电阻时，需考虑光敏电阻自身的材料特性。为保证本装置能在光照较强的室外正常工作，我们在光敏电阻前加了一块有色玻璃，降低太阳直接照射的光照强度。实验证明，该方法行之有效。测试结果见表 1 所列。图 7 太阳能自动双轴追踪装置 图 8 实验硬件控制装置表 1 测试结果环 境时 段早晨中午傍晚室内不能精准转动能较精准转动不能精准转动室外能较精准转动有点失灵状态能较精准转动据此实验测试结果得出以下改进措施：（1）本自动追光装置在光照较强的环境下，需要在光敏电阻前加上有色玻璃，可有效减弱光强，进而增强追光装置的灵敏度。（2）在光照较弱的环境下，光敏电阻的感光灵敏度还有待提升，可以换用灵敏度更高的光敏电阻。4 结 语面向小型电子系统的智能光伏电源基于 Arduino 单片机设计。本设计将光电追踪与双轴转动相结合，极大提高了系统对太阳光线追踪的准确性，进而切实提高了太阳能的转化效率。而在选择光敏电阻时，因光照强度过大导致光敏电阻失灵，本文提出了两种解决方法：一是在光敏电阻前加上有色玻璃，有效削弱光照强度过大对光敏电阻的影响；二是换用耐光性更强的光敏电阻。相信本设计能够极大助力太阳能发电，节约能源。注：本文通讯作者为李昂。参考文献1 赵五州，方立德，王宝军.垃圾分类智能投放箱标准化之必要性研究 J.标准科学，2020，57（12）：135-139.2 牟如强，李乐.基于单片机的新型太阳能双轴跟踪装置设计 J.组合机床与自动化加工技术，2018，60（3）：148-150.3刘路新.基于MCU的双轴太阳能追日系统设计与实现D.秦皇岛：河北科技师范学院，2020.4 刘永昊，蒋华锋.基于 ArduinoUno 的阳台太阳能角度自动调节系统 J.电子制作，2018，25（19）：25-27.5 赵轩.房车太阳能电池板折叠机构自动追光系统设计与研究 D.西安：西安理工大学，2021.6 陈沛宇，欧阳华兵，何克劲，等.基于 Arduino 单片机的太阳能目标追踪系统设计 J.上海电机学院学报，2019，22（5）：255-261.7 吴尝，边玉亮.基于单片机的舵机控制仿真实验研究 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