全自主巡航无人机项目思路:STM32/PX4 + ROS + AI 实现从传感融合到智能规划的端到端解决方案

1. 项目概述

本项目旨在设计并实现一款高度自主的自动巡航无人机系统。该系统能够按照预设路径自主飞行,完成各种巡航任务,如电力巡线、森林防火、边境巡逻和灾害监测等。

1.1 系统特点

  • 基于STM32F4和PX4的高性能嵌入式飞控系统
  • 多传感器融合技术实现精确定位和姿态估计
  • Wi-Fi/4G双模无线通信,支持远程控制和数据传输
  • 基于ROS的智能路径规划算法,实现复杂环境下的自主导航
  • 模块化设计,易于扩展和维护

1.2 技术栈

  • 嵌入式开发:STM32F4 MCU,PX4飞控系统,C/C++编程语言
  • 传感器集成:GPS、IMU(加速度计、陀螺仪、磁力计)、气压计
  • 无线通信:Wi-Fi模块(短距离),4G模块(远距离),MAVLink协议
  • 路径规划:ROS框架,Python编程语言
  • 开发工具:STM32CubeIDE,QGroundControl地面站软件

2. 系统设计

2.1 硬件架构

硬件系统主要由以下模块构成:

  1. 飞控主板:采用STM32F4系列MCU,运行PX4飞控系统
  2. 定位模块:集成GPS模块,提供精确的全球定位信息
  3. 姿态测量:IMU(惯性测量单元)包含加速度计、陀螺仪和磁力计
  4. 高度测量:气压计用于测量相对高度和垂直速度
  5. 通信模块:Wi-Fi模块用于短距离高带宽通信,4G模块用于远距离通信
  6. 动力系统:电机驱动控制四个无刷电机
  7. 视觉系统:高清摄像头用于环境感知和目标识别
  8. 电源系统:锂电池供电,配备电源管理模块

2.2 软件架构

软件系统主要包括以下组件:

  1. PX4飞控系统:

    • 传感器驱动:负责读取和处理各类传感器数据
    • 姿态估计:使用扩展卡尔曼滤波(EKF)融合IMU、GPS等数据
    • 位置控制:实现精确的位置保持和轨迹跟踪
    • 飞行模式:包括手动、半自动、全自动等多种飞行模式
    • 通信模块:基于MAVLink协议与地面站和ROS节点通信
  2. 地面站(QGroundControl):

    • 飞行监控:实时显示飞行状态、位置和传感器数据
    • 任务规划:设计巡航路径,设置航点和任务参数
    • 参数配置:调整PID参数,设置飞行限制等
    • 固件更新:支持远程固件升级
  3. ROS(机器人操作系统)节点:

    • 路径规划:使用A*或RRT算法进行全局路径规划
    • 障碍物检测:基于视觉或激光雷达数据进行实时障碍物检测
    • SLAM建图:同步定位与地图构建,用于未知环境导航
  4. 通信流程:

    • PX4飞控系统通过MAVLink协议与地面站和ROS节点进行双向通信
    • 地面站发送控制指令和任务信息给飞控系统
    • ROS节点将规划的路径、检测到的障碍物信息发送给飞控系统
    • 飞控系统实时反馈飞行状态和传感器数据给地面站和ROS节点

这种分层的软件架构设计具有以下优势:

  • 模块化:各个组件功能明确,便于开发和维护
  • 灵活性:可以根据需求easily添加或替换功能模块
  • 可扩展性:支持添加新的传感器和算法以增强系统能力
  • 可靠性:核心飞控功能由成熟的PX4系统保障,提高系统稳定性

3. 核心代码实现

3.1 姿态估计

姿态估计是自动巡航无人机系统的关键模块之一。我们使用四元数表示姿态,并采用互补滤波算法融合加速度计和陀螺仪数据。以下是核心代码实现:

#include <math.h>

// 四元数结构体
typedef struct {
    float w, x, y, z;
} Quaternion;

// 姿态估计参数
#define dt 0.01f  // 采样周期
#define alpha 0.98f  // 互补滤波系数

Quaternion attitude = {1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f};  // 初始姿态

void attitudeUpdate(float acc[3], float gyro[3]) {
    // 归一化加速度
    float accMag = sqrt(acc[0]*acc[0] + acc[1]*acc[1] + acc[2]*acc[2]);
    float ax = acc[0] / accMag;
    float ay = acc[1] / accMag;
    float az = acc[2] / accMag;

    // 基于加速度计算俯仰角和横滚角
    float pitch = atan2(-ax, sqrt(ay*ay + az*az));
    float roll = atan2(ay, az);

    // 构造基于加速度的四元数
    Quaternion qAcc;
    qAcc.w = cos(roll/2) * cos(pitch/2);
    qAcc.x = cos(roll/2) * sin(pitch/2);
    qAcc.y = sin(roll/2) * cos(pitch/2);
    qAcc.z = -sin(roll/2) * sin(pitch/2);

    // 基于陀螺仪数据的四元数微分方程
    float qDot[4];
    qDot[0] = 0.5f * (-attitude.x*gyro[0] - attitude.y*gyro[1] - attitude.z*gyro[2]);
    qDot[1] = 0.5f * (attitude.w*gyro[0] + attitude.y*gyro[2] - attitude.z*gyro[1]);
    qDot[2] = 0.5f * (attitude.w*gyro[1] - attitude.x*gyro[2] + attitude.z*gyro[0]);
    qDot[3] = 0.5f * (attitude.w*gyro[2] + attitude.x*gyro[1] - attitude.y*gyro[0]);

    // 更新姿态四元数
    attitude.w += qDot[0] * dt;
    attitude.x += qDot[1] * dt;
    attitude.y += qDot[2] * dt;
    attitude.z += qDot[3] * dt;

    // 互补滤波
    attitude.w = alpha * attitude.w + (1-alpha) * qAcc.w;
    attitude.x = alpha * attitude.x + (1-alpha) * qAcc.x;
    attitude.y = alpha * attitude.y + (1-alpha) * qAcc.y;
    attitude.z = alpha * attitude.z + (1-alpha) * qAcc.z;

    // 归一化四元数
    float mag = sqrt(attitude.w*attitude.w + attitude.x*attitude.x + 
                     attitude.y*attitude.y + attitude.z*attitude.z);
    attitude.w /= mag;
    attitude.x /= mag;
    attitude.y /= mag;
    attitude.z /= mag;
}

代码说明:

  1. 我们定义了一个Quaternion结构体来表示姿态四元数。
  2. attitudeUpdate函数接收加速度计和陀螺仪的原始数据作为输入。
  3. 首先处理加速度计数据,计算出俯仰角和横滚角,并构造对应的四元数。
  4. 然后利用陀螺仪数据,通过四元数微分方程更新姿态。
  5. 使用互补滤波算法融合加速度计和陀螺仪的结果,alpha参数决定了各自的权重。
  6. 最后对结果四元数进行归一化,确保其表示有效的旋转。

这种方法结合了加速度计的长期稳定性和陀螺仪的短期准确性,能够得到更加精确的姿态估计。

3.2 位置控制

位置控制是实现自动巡航的关键。我们使用PID控制器来实现精确的位置保持和轨迹跟踪。以下是简化的PID控制器实现:

#include <math.h>

typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;  // PID参数
    float integral;    // 积分项
    float prevError;   // 上一次的误差
} PIDController;

// 初始化PID控制器
void initPIDController(PIDController* pid, float Kp, float Ki, float Kd) {
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->integral = 0.0f;
    pid->prevError = 0.0f;
}

// PID控制器更新函数
float updatePID(PIDController* pid, float setpoint, float measurement, float dt) {
    float error = setpoint - measurement;
    
    // 比例项
    float P = pid->Kp * error;
    
    // 积分项
    pid->integral += error * dt;
    float I = pid->Ki * pid->integral;
    
    // 微分项
    float derivative = (error - pid->prevError) / dt;
    float D = pid->Kd * derivative;
    
    // 计算输出
    float output = P + I + D;
    
    // 更新上一次误差
    pid->prevError = error;
    
    return output;
}

// 位置控制主函数
void positionControl(float targetPosition[3], float currentPosition[3], float* outputs) {
    static PIDController pidX, pidY, pidZ;
    
    // 初始化PID控制器(仅在第一次调用时执行)
    static int initialized = 0;
    if (!initialized) {
        initPIDController(&pidX, 1.0f, 0.1f, 0.05f);  // 示例PID参数
        initPIDController(&pidY, 1.0f, 0.1f, 0.05f);
        initPIDController(&pidZ, 1.5f, 0.15f, 0.1f);  // 垂直方向通常需要更强的控制
        initialized = 1;
    }
    
    // 更新每个轴的PID控制器
    float dt = 0.01f;  // 假设控制周期为10ms
    outputs[0] = updatePID(&pidX, targetPosition[0], currentPosition[0], dt);
    outputs[1] = updatePID(&pidY, targetPosition[1], currentPosition[1], dt);
    outputs[2] = updatePID(&pidZ, targetPosition[2], currentPosition[2], dt);
}

代码说明:

  1. PIDController结构体包含PID控制器的参数和状态。
  2. initPIDController函数用于初始化PID控制器的参数。
  3. updatePID函数实现了PID控制算法的核心逻辑,包括比例、积分和微分三个部分。
  4. positionControl函数是位置控制的主函数,它为X、Y、Z三个轴分别创建和更新PID控制器。
  5. 控制器的输出可以直接用作无人机的速度或加速度指令,具体取决于飞控系统的接口设计。

这个简化的PID控制器为每个轴独立控制,在实际应用中可能需要考虑轴间耦合和更复杂的动力学模型。

3.3 路径规划

路径规划模块使用ROS(机器人操作系统)和Python实现。我们采用A*算法进行全局路径规划。以下是简化的实现:

import rospy
from geometry_msgs.msg import PoseStamped
from nav_msgs.msg import OccupancyGrid, Path
import numpy as np

class AStarPlanner:
    def __init__(self):
        self.map = None
        self.start = None
        self.goal = None
        self.path = []

        # ROS节点初始化
        rospy.init_node('astar_planner')
        self.map_sub = rospy.Subscriber('/map', OccupancyGrid, self.map_callback)
        self.start_sub = rospy.Subscriber('/start_pose', PoseStamped, self.start_callback)
        self.goal_sub = rospy.Subscriber('/goal_pose', PoseStamped, self.goal_callback)
        self.path_pub = rospy.Publisher('/path', Path, queue_size=1)

    def map_callback(self, msg):
        self.map = np.array(msg.data).reshape((msg.info.height, msg.info.width))

    def start_callback(self, msg):
        self.start = (int(msg.pose.position.x), int(msg.pose.position.y))
        self.plan()

    def goal_callback(self, msg):
        self.goal = (int(msg.pose.position.x), int(msg.pose.position.y))
        self.plan()

    def heuristic(self, a, b):
        return np.sqrt((b[0] - a[0]) ** 2 + (b[1] - a[1]) ** 2)
    def get_neighbors(self, node):
        directions = [(0,1),(0,-1),(1,0),(-1,0),(1,1),(1,-1),(-1,1),(-1,-1)]
        neighbors = []
        for direction in directions:
            neighbor = (node[0] + direction[0], node[1] + direction[1])
            if 0 <= neighbor[0] < self.map.shape[0] and 0 <= neighbor[1] < self.map.shape[1]:
                if self.map[neighbor] == 0:  # 假设0表示自由空间
                    neighbors.append(neighbor)
        return neighbors

    def astar(self):
        open_set = set([self.start])
        closed_set = set()
        came_from = {}
        g_score = {self.start: 0}
        f_score = {self.start: self.heuristic(self.start, self.goal)}

        while open_set:
            current = min(open_set, key=lambda x: f_score[x])

            if current == self.goal:
                path = []
                while current in came_from:
                    path.append(current)
                    current = came_from[current]
                path.append(self.start)
                return path[::-1]

            open_set.remove(current)
            closed_set.add(current)

            for neighbor in self.get_neighbors(current):
                if neighbor in closed_set:
                    continue
                tentative_g_score = g_score[current] + self.heuristic(current, neighbor)

                if neighbor not in open_set:
                    open_set.add(neighbor)
                elif tentative_g_score >= g_score[neighbor]:
                    continue

                came_from[neighbor] = current
                g_score[neighbor] = tentative_g_score
                f_score[neighbor] = g_score[neighbor] + self.heuristic(neighbor, self.goal)

        return None  # 没有找到路径

    def plan(self):
        if self.map is not None and self.start is not None and self.goal is not None:
            self.path = self.astar()
            if self.path:
                # 发布路径消息
                path_msg = Path()
                path_msg.header.frame_id = "map"
                path_msg.header.stamp = rospy.Time.now()
                for point in self.path:
                    pose = PoseStamped()
                    pose.pose.position.x = point[0]
                    pose.pose.position.y = point[1]
                    path_msg.poses.append(pose)
                self.path_pub.publish(path_msg)
            else:
                rospy.logwarn("No path found")

if __name__ == '__main__':
    planner = AStarPlanner()
    rospy.spin()

代码说明:

  1. AStarPlanner类实现了A*路径规划算法。

  2. 使用ROS的订阅者接收地图、起点和终点信息:

    • /map: 接收占用栅格地图
    • /start_pose: 接收起点位置
    • /goal_pose: 接收终点位置
  3. map_callbackstart_callbackgoal_callback 函数处理接收到的数据。

  4. heuristic函数计算两点间的欧几里得距离,作为A*算法的启发函数。

  5. get_neighbors函数返回给定节点的有效邻居节点。

  6. astar函数实现了A*算法的核心逻辑:

    • 使用open_set和closed_set来管理待探索和已探索的节点
    • f_score = g_score + heuristic,用于选择最优节点
    • 当找到目标节点时,通过came_from字典回溯构建路径
    • 如果无法找到路径,返回None
  7. plan函数是路径规划的主函数:

    • 检查是否已接收到必要的信息(地图、起点、终点)
    • 调用astar函数进行路径规划
    • 如果找到路径,将其转换为ROS的Path消息并发布
  8. 在主函数中,我们创建AStarPlanner实例并使用rospy.spin()保持节点运行。

个路径规划模块的主要特点:

  • 使用ROS框架,便于与其他ROS节点(如定位、控制模块)集成
  • 实现了A*算法,能够在给定的栅格地图上找到最优路径
  • 考虑了障碍物避免,只在自由空间中规划路径
  • 支持实时规划,当接收到新的起点或终点时会重新规划
  • 将规划结果以标准的ROS Path消息格式发布,便于其他模块使用

在实际应用中,这个基础实现可以进一步优化:

  1. 添加路径平滑处理,使路径更适合无人机飞行
  2. 实现动态避障,考虑移动障碍物
  3. 优化A*算法,如使用Jump Point Search等变体提高效率
  4. 添加局部路径规划,以应对地图变化或未知障碍物

4. 项目总结

本自动巡航无人机系统集成了多项关键技术:

  1. 基于STM32F4和PX4的嵌入式飞控系统,实现了稳定的飞行控制
  2. 多传感器融合的姿态估计算法,提高了飞行姿态的精确度
  3. PID控制器实现的位置控制,确保了精确的路径跟踪
  4. 基于ROS的A*路径规划算法,实现了智能化的任务规划

通过这些模块的协同工作,系统能够完成复杂环境下的自主巡航任务。

 

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