多旋翼駕駛員考試測評系統(tǒng)研究

唐昊，吳皓楠，張航維，方暢陽，劉濱

（中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300）

0 引 言

近年來，隨著我國科技及人民生活的發(fā)展，無人機的使用越來越廣泛，無人駕駛航空器可與多個領域相結合，便利人民生活，促進勞動生產(chǎn)發(fā)展。隨著人工智能、視覺導航、微電子等前沿技術的突破，無人機與多學科交叉融合使新構型無人機不斷涌現(xiàn)，并隨著人機交互技術研究的不斷深入，應用領域進一步拓寬和深化。無人駕駛航空器駕駛能力的考核非常重要，是運用無人機推動社會發(fā)展的有效保障。

無人駕駛航空器主要運行空間在低空空域，深入人民日常生活空間，而該空間空情復雜，對無人駕駛航空器駕駛員的技能有更高的技術要求，而目前為止，國內缺少成熟的多旋翼無人機駕駛員考試系統(tǒng)，因此，本文提出一種基于APP端與多旋翼考試機相結合的多旋翼駕駛員考試系統(tǒng)。

1 無人機硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件需求分析

為滿足搭載考試測評系統(tǒng)實際需求，該無人機自主著陸系統(tǒng)硬件需要實現(xiàn)的基本功能包括：無人機飛行控制計算機能夠快速、精確、穩(wěn)定地控制無人機飛行姿態(tài)；無人機機載定位傳感器應具備較高的魯棒性，結合機載微型計算機實現(xiàn)高速實時解算無人機三維空間坐標并且隨時與手機APP保持數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 飛行控制器的選用

目前市面上較為成熟的開源飛控為APM和Pixhawk，Pixhawk飛控的前身是APM飛控，后面通過傳感器和主控芯片的升級推出了PX4，在PX4的基礎上又推出了Pixhawk。

本項目使用基于STM32F405的自研飛控如圖1所示，在程序的完善程度上雖不及較為成熟的APM以及Pixhawk飛控，但在外部接口上，本項目所使用的自研飛控具備一個type C接口、四個通信串口以及兩個額外IO口。對于傳感器的適配程度與兩款成品飛控相比較，足夠滿足該項目設計所需。且自研飛控代碼結構更加簡明，對于相關專業(yè)技能要求更加寬泛。因此自研飛控可以更好地適配設計所需的考試測評系統(tǒng)。

圖1 自研飛行控制電腦

1.3 嵌入式計算機的選用

由于飛控所需的傳感器較多，同時要進行大量的額外運算，為了減輕飛控的運算壓力，本項目需要采用基于ARM的微型電腦主板的樹莓派進行輔助性質的運算。

如圖2所示，樹莓派是一款基于ARM的微型電腦主板，集成多個USB接口、網(wǎng)口和高清視頻接口，其具體參數(shù)如表1所示。其內部能夠運行Linux操作系統(tǒng)，主要針對應用層進行開發(fā)，不需要對底層程序進行修改，開發(fā)難度低；其Linux操作系統(tǒng)能夠部署深度學習算法，在處理超聲波、光流等傳感器數(shù)據(jù)的同時，也能基于視覺慣性里程計算法將Intel RealSense T265雙目視覺信息與IMU數(shù)據(jù)進行融合獲得無人機空間位置信息，極大地減輕了飛控的運算壓力。

圖2 樹莓派3B+

表1 樹莓派參數(shù)表

1.4 定位傳感器的選用

本項目所使用無人機根據(jù)預期目標需使用定位傳感器，因此采用Intel RealSense T265，內部自帶SLAM模塊，將攝像頭與慣性測量單元（IMU）結合起來，利用環(huán)境中的視覺特征，在未知空間可精確追蹤其路徑，同時T265具有體積小巧、質量輕、功耗低和精度高的特點，便于無人機開發(fā)者直接獲取無人機位姿數(shù)據(jù)進行二次開發(fā)，能夠適應絕大多數(shù)場景下的室內與室外定位。

1.5 硬件系統(tǒng)總體設計方案

由樹莓派結合T265視覺慣性里程計來獲取無人機的位置信息，將所得位置傳輸至飛行控制電腦，飛控將所得數(shù)據(jù)及自身解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)相結合，實現(xiàn)對無人機運行軌跡的判斷與記錄，將自身姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)發(fā)送至移動端，如圖3所示。

圖3 總體設計方案圖

2 操作系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件需求分析

無人機軟件系統(tǒng)應能高效處理硬件設備數(shù)據(jù)且具備極強魯棒性，確保系統(tǒng)在各種情況下都能穩(wěn)定工作；系統(tǒng)結構能夠靈活變化，便于應用開發(fā)與功能擴展；系統(tǒng)應隨時為考試測評提供良好的條件。

2.2 基于ROS的視覺里程計系統(tǒng) 構建

ROS（Robot Operating System）是用于編寫機器人軟件的分布式架構，其框架中每個功能模塊都可根據(jù)需求單獨設計，不同模塊之間能夠執(zhí)行若干類型的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息和控制信號的交互。

位姿估計是視覺里程計系統(tǒng)中的核心，也是其重要目標.位姿估計也就是通過分析相機與空間點的幾何關系，從而計算出把K-1時刻的相機位姿變換到K時，根據(jù)時間序列把相鄰時刻的運動串聯(lián)起來，這樣就構成了機器人或者相機的運動軌跡。

無人機定位系統(tǒng)由多個功能模塊構成，模塊由多個并行運算的內部節(jié)點構成，不同節(jié)點負責實現(xiàn)特定任務，同時通過ROS話題通訊機制實現(xiàn)模塊內部節(jié)點及模塊之間實時數(shù)據(jù)交互。ROS定位模塊主要包括realsense-ros、vision_to_mavros和mavros節(jié)點，其模塊主要結構如圖4所示。

圖4 室內定位模塊結構圖

librealsnese API作為應用程序接口主要采集T265雙目攝像頭圖像、IMU（慣性測量元件）數(shù)據(jù)，以及經(jīng)過VIO（視覺慣性里程計算法）獲得的原始定位數(shù)據(jù)，本文將原始定位數(shù)據(jù)作為ROS室內定位模塊的數(shù)據(jù)輸入。

realsense-ros節(jié)點負責獲取應用程序接口數(shù)據(jù)，并通過話題/tf將數(shù)據(jù)傳遞至vision_to_mavros節(jié)點，vision_to_mavros節(jié)點負責將原始定位數(shù)據(jù)轉換為ROS系統(tǒng)所采用的ENU坐標系，再通過話題/mavros/vision_pose/pose將ENU坐標系下的定位數(shù)據(jù)傳遞至mavros節(jié)點，該節(jié)點負責將定位數(shù)據(jù)從ENU坐標系轉換至Pixhawk飛控所采用的NED坐標系，ENU至NED坐標系轉換公式為（1）～（4）。ROS定位模塊坐標系轉換示意圖如圖5所示。

圖5 室內定位模塊結構圖

2.3 考試測評相關軟件構建

2.3.1 自動評分系統(tǒng)

對考生的實操測評在飛控單片機中進行，當手機APP中選擇開始測評后，便會通過藍牙發(fā)送指令到飛控中。飛控收到指令，即為開啟考試測評。通過發(fā)送指令的不同，來確定開啟測評的項目。

第一個項目為360°旋轉，在解鎖無人機之后，飛行高度為2～5米，需要懸停2秒以上。在保持無人機相對位置偏移水平不超過2.5米、豎直不超過1米的情況下，在6～20秒以內完成360°的旋轉，則此項目完成。

第二個項目為正飛水平八字，保持機頭一直朝前的情況下，完成水平八字的飛行，兩個圓應直徑相同大于6米，兩個圓的結合部位通過身體中線，空域在120°內，完成整個動作的過程中須保持高度不變。完成動作后，機頭偏差不得超過15°。

最后需飛回至起飛區(qū)，懸停2秒后，平穩(wěn)降落在停機處中央，則考試完成。

通過對無人機實時的位置坐標反饋來模擬其行進路線，以此來進行自主考試測評，在正飛水平八字的考試項目中，虛設了7個任務點。無人機必須準確的通過所有的任務點方能完成考試。

2.3.2 危險警示系統(tǒng)

為防止考生的失誤操作，可以及時地起到保護作用，當無人機高度超過六米或者離開動作區(qū)5米以上，會直接判定考生為考核失敗，無人機將直接切換為返航模式，自行返回起飛點并降落。

2.4 測評無人機

測評無人機模型如圖6所示。現(xiàn)階段初步制作四旋翼測評機，其搭載的各種傳感器，能夠較為穩(wěn)定且準確地反饋飛機位置、姿態(tài)、速度等數(shù)據(jù)，開發(fā)者已通過相關測試驗證其穩(wěn)定性。實體測評機可以讓操作員對無人機的控制過程有更加直觀的理解，滿足本系統(tǒng)的要求。

圖6 無人機

3 APP系統(tǒng)的設計與分析

人類社會正逐步進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，移動互聯(lián)概念不斷的改造人民的生活和思維方式。同樣，學習方式也由相對固定的PC互聯(lián)學習模式過渡到移動模式，并且智能手機這種移動終端已經(jīng)非常普及，這讓移動學習成為一種必然。海量資源和持續(xù)更新的特點為移動學習提供了豐富的資源支撐，利用現(xiàn)有的移動信息開發(fā)技術對海量資源進行整合再利用并且設計開發(fā)出在智能手機上使用的學習APP軟件，就能真正從空間和時間上實現(xiàn)學習方式的移動化和便捷化。

借鑒駕照考試系統(tǒng)，同比于交管12123軟件，開發(fā)一款無人機駕照考試系統(tǒng)APP，能夠提高本項目的系統(tǒng)性和可靠性，APP以移動智能設備為載體，使系統(tǒng)目標的實現(xiàn)更為便捷，同時可以提供直接的反饋通道，及時獲取使用者在實際操作中的多種信息，能夠讓開發(fā)者直觀的了解系統(tǒng)在實際使用中的問題，有助于程序及系統(tǒng)的完善。

該項目所用APP由MIT APP INVENTOR2平臺編寫。APP Inventor最初是一款Google公司開發(fā)的手機編程工具，用戶能夠通過該軟件快速便捷地開發(fā)Android系統(tǒng)的移動應用。APP Inventor于2012年1月移交麻省理工學院行動學習中心，并以MITAPPInventor的名字公布使用。優(yōu)點是功能豐富，操作方便。APP致力于為今后無人機考試提供更好的平臺，預期可實現(xiàn)考試預約，模擬考試，以及考題練習等功能，APP的總體操作流程為：（1）注冊登錄考試人員信息；（2）根據(jù)具體情況需求選擇相應功能；（3）根據(jù)操作指引進行相關操作。

首先是注冊登錄部分，存儲的用戶的注冊信息需要用到數(shù)據(jù)庫。團隊使用APPMIT的網(wǎng)絡微型數(shù)據(jù)庫服務器，能夠與APP的編譯器相兼容，并且存儲空間較大。

其次是對APP功能的選擇，主要有兩個選項：考試項目練習和題庫，相當于駕駛證考試中科目一和科目四。在練習完畢后，APP會根據(jù)傳感器回傳數(shù)據(jù)記錄以及題庫試題答案進行自動評分。

在項目練習中，有兩科考試項目可供選擇，八字飛行和360°自旋。8字飛行考試：測試場地事先布置七個監(jiān)測點，當考試無人機經(jīng)過導航點時，智能移動端根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，對應顯示測試場地中考試機經(jīng)過的監(jiān)測點，圖像由綠色變?yōu)榧t色，同時會在智能移動端顯示器上將顯示當前考試機的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即橫滾、俯仰和偏航角，該數(shù)據(jù)與標準考試數(shù)據(jù)對比后，實時標注當前考試機坐標以及所經(jīng)過檢查點的考試情況，具體顯示情況如圖7所示。

圖7 智能移動端“8”字飛行考試圖

360°自旋考試：系統(tǒng)會根據(jù)技能標準進行評測并記錄，在考試機于指定高度完成360°自旋全過程后，系統(tǒng)進行綜合評判并于智能移動端顯示綜合評分。

測試中，智能移動端可使用中止、清零鍵隨時操作考試機中止考試，復位考試機傳感器數(shù)據(jù)并啟動應急程序，考試機自動返航以應對考試時的突發(fā)狀況，測試完畢可使用保存鍵，復位考試機傳感器數(shù)據(jù)并對該次測試結果進行保存記錄。

題庫類似于駕照考試中的理論考試系統(tǒng)，考察用戶對多旋翼無人駕駛航空器理論知識及相關操作規(guī)范的掌握情況。包括多旋翼機部件組成、手控飛行操作方式，應急處理程序以及多旋翼機飛行前報備程序的相關法律規(guī)范、規(guī)定等內容。該板塊專注于提高用戶關于多旋翼機飛行機及操作的知識儲備，同時提供模擬考試環(huán)境，便于用戶提前熟悉考試時的相關操作流程。

4 結 論

本文提出了一種將移動端APP與無人機實物相結合的多旋翼駕駛員考試系統(tǒng)的設計。可得結論：

硬件方面：本系統(tǒng)采用了樹莓派+T265的位置信息采集方案，具有極高的魯棒性和環(huán)境適應能力，位置數(shù)據(jù)精確度高。結合自研飛行控制電腦能夠將無人機的實時姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)反饋至移動端，用于考試相關內容的評判。

軟件方面：APP內分為考試題庫以及操作訓練兩大部分，能夠針對多旋翼駕駛員考試內容進行針對性訓練，對于提升駕駛員操作水平有較大意義和作用。