一種通用的無人機視覺仿真平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無人機視覺自動控制領(lǐng)域，尤其是一種能夠使仿真與真機相結(jié)合的
-ψ-
口 O
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年無論是在研宄方面還是商業(yè)應(yīng)用方面，無人機的領(lǐng)域是越來越火爆，而無人機仿真系統(tǒng)作為一個比較新穎的領(lǐng)域，它在社會上的需求也是越來越高，與真機測試相比，它能夠有效地避免飛機在測試過程中的損傷。通過無人機的仿真系統(tǒng)，可以無消耗、安全的測試視覺的算法和飛行器自動控制。
[0003]但是目前的無人機仿真系統(tǒng)主要只針對一種飛機，例如TUM的AR.Drone仿真系統(tǒng)，而且它只能測試一種視覺算法，沒有什么擴展性和通用性，其他的仿真系統(tǒng)甚至無法與真機進行算法測試的對接，這樣就失去了仿真的最終意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服已有無人機仿真方式的對象單一、擴展性和通用性較差的不足，本發(fā)明提供一種具有良好的擴展性和通用性的無人機視覺仿真平臺。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種通用的無人機視覺仿真平臺，包括仿真環(huán)境部分和真實環(huán)境部分，所述仿真環(huán)境部分包括機器人操作系統(tǒng)R0S、開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和用于把ROS系統(tǒng)傳過來的信息轉(zhuǎn)換成不同飛控能識別的控制信息的通用無人機連接接口，所述通用無人機連接接口支持ROS系統(tǒng)，所述開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和通用無人機連接接口均與機器人操作系統(tǒng)ROS連接；所述真實環(huán)境部分包括飛行器機架和飛行控制器，所述通用無人機連接接口與所述飛行控制器連接。
[0007]進一步，所述通用無人機連接接口中，輸入端是ROS系統(tǒng)傳入的邏輯層控制信息，獲取到邏輯層控制信息后，在準(zhǔn)備發(fā)送給無人機的飛控之前需要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對控制信息針對某個飛控進行轉(zhuǎn)化后發(fā)給飛行控制器。
[0008]再進一步，所述轉(zhuǎn)化的過程如下:針對AR.Drone的飛控需要把邏輯的上下左右控制轉(zhuǎn)化為AR.Drone驅(qū)動可以識別的控制消息，然后通過WIFI傳輸給AR.Drone飛行控制器實現(xiàn)控制；針對Pixhawk飛控同樣把接口的邏輯控制信息轉(zhuǎn)化為mavlink消息再發(fā)給Pixhawk飛行控制器；針對ASCTEC的飛控也需要把邏輯控制信息轉(zhuǎn)化為ASCTEC驅(qū)動可以識別的消息再發(fā)送給飛行控制器。
[0009]更進一步，所述機器人操作系統(tǒng)ROS還包括用戶交互界面，用于讓用戶去選擇需要連接的飛控類型。
[0010]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:具有良好的擴展性和通用性。
【附圖說明】
[0011]圖1是通用的無人機視覺仿真平臺的原理框圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0013]參照圖1，一種通用的無人機視覺仿真平臺，包括仿真環(huán)境部分和真實環(huán)境部分，所述仿真環(huán)境部分包括機器人操作系統(tǒng)ROS、開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和用于把ROS系統(tǒng)傳過來的信息轉(zhuǎn)換成不同飛控能識別的控制信息的通用無人機連接接口，所述通用無人機連接接口支持ROS系統(tǒng)，所述開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和通用無人機連接接口均與機器人操作系統(tǒng)ROS連接；所述真實環(huán)境部分包括飛行器機架和飛行控制器，所述通用無人機連接接口與所述飛行控制器連接。
[0014]進一步，所述通用無人機連接接口中，輸入端是ROS系統(tǒng)傳入的邏輯層控制信息，獲取到邏輯層控制信息后，在準(zhǔn)備發(fā)送給無人機的飛控之前需要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對控制信息針對某個飛控進行轉(zhuǎn)化后發(fā)給飛行控制器。
[0015]本實施例的平臺可以支持多種無人機飛控比如AR.Drone 2.0，pixhawk，APM等等。而且可以支持多種目前國際上較為先進的視覺算法來自動控制無人機，比如OpenTLD，ORB-SLAM 等。
[0016]本實施例的仿真平臺總體是基于ROS系統(tǒng)和Gazebo組成，Gazebo是目前較為流行的
[0017]開源仿真軟件針對機器人仿真設(shè)計。而ROS系統(tǒng)也是目前世界上公認的最好的功能最全的開源機器人操作系統(tǒng)。
[0018]在Gazebo中首先設(shè)計好一套模擬無人機的環(huán)境，包括多種模擬的三維場景，無人機飛行器的模型，無人機的運動學(xué)動力學(xué)模型，摩擦碰撞模型和各種傳感器仿真等。
[0019]然后在Gazebo中把模擬無人機在場景中獲取的圖像信息傳輸給ROS系統(tǒng)，視覺算法模塊再從ROS系統(tǒng)中獲取圖像的輸入，然后進行相應(yīng)地運算，得出的結(jié)果在反饋給R0S，ROS把結(jié)果處理轉(zhuǎn)換成控制信息發(fā)給Gazebo中的模擬飛行器，這樣就實現(xiàn)了視覺算法控制模擬飛行器的流程。
[0020]通用無人機連接接口，必須要支持ROS系統(tǒng)，在接口設(shè)計上與仿真系統(tǒng)連接的層面只需設(shè)計好與ROS通信的接口即可，算法層和仿真系統(tǒng)中運動模型或者動力學(xué)模型都會與ROS進行通信。
[0021]與真機環(huán)境中的連接設(shè)計較為復(fù)雜，需要設(shè)計一種通用接口把ROS系統(tǒng)傳過來的信息轉(zhuǎn)換成不同飛控能識別的控制信息，比如與pixhawk通信需要使用mavros驅(qū)動，也就是mavlink和ROS的通信連接件。再比如AR.Drone由于官方提供ROS版本的驅(qū)動，可以直接與ROS通信，所以只需在通用接口中添加即可。
[0022]最后需要設(shè)計一個與用戶交互的界面，可以讓用戶去選擇需要連接的飛控類型，一旦選擇完畢即可讓視覺控制算法無縫應(yīng)用在特定的飛控上，使特定的無人機執(zhí)行一些基于視覺的任務(wù)。
[0023]通用無人機連接接口的工作流程:
[0024]I)首先接口的輸入端是ROS系統(tǒng)傳入的邏輯層控制信息，邏輯上對不同無人機的控制是沒有區(qū)別的，都是前后左右上下旋轉(zhuǎn)等變化。
[0025]2)然后是接口獲取到邏輯層控制信息后，在準(zhǔn)備發(fā)送給無人機的飛控之前需要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對控制信息針對某個飛控進行特殊轉(zhuǎn)化:針對AR.Drone的飛控需要把邏輯的上下左右控制轉(zhuǎn)化為AR.Drone驅(qū)動可以識別的控制消息，然后通過WIFI傳輸給AR.Drone飛控實現(xiàn)控制；又比如針對Pixhawk飛控同樣把接口的邏輯控制信息轉(zhuǎn)化為mavlink消息再發(fā)給Pixhawk飛控；針對ASCTEC的飛控也需要把邏輯控制信息轉(zhuǎn)化為ASCTEC驅(qū)動可以識別的消息，然后發(fā)給飛行控制器。
[0026]特別地，對于pixhawk或者APM的飛控由于其通用性較強，所以可以搭載到不同尺寸的無人機機架上，實現(xiàn)機架上的擴展。
[0027]以無人機跟蹤為例，使用的飛機模型為AR.Drone，使用OpenTLD視覺跟蹤算法，本實施例的平臺運作的主要流程:
[0028]I)首先是仿真模塊和真實模塊的是相對獨立的。
[0029]2)先從仿真模塊開始，在Gazebo中有事先設(shè)計好的無人機模型，包括幾何學(xué)模型和運動學(xué)模型，這些準(zhǔn)備就緒后可以在Gazebo算法去控制無人機，同樣的也可以在Gazebo中去獲取當(dāng)前無人機的各種姿態(tài)ig息。
[0030]3)當(dāng)Gazebo獲取飛行器當(dāng)前視角的圖像數(shù)據(jù)后，通過ROS系統(tǒng)獲取圖像信息，并把信息傳給計算機視覺處理模塊，然后在模塊中進行算法處理，再把處理后的結(jié)果傳輸給ROS系統(tǒng)，通過ROS轉(zhuǎn)換控制信息給Gazebo，讓模型飛行器在Gazebo完成相應(yīng)的動作。
[0031]4)在視覺算法層進行算法處理之后，我們還能把控制信息通過ROS系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為真機中能識別的信息，而這個需要ROS系統(tǒng)和各種飛控的接口，一般較為通用的飛控官方便會提供ROS版本的驅(qū)動，比如AR.Drone等等。而我們做的是把和ROS系統(tǒng)相連的一系列飛控進行整合，然后建立一個通用的接口，利用這個接口可以把ROS系統(tǒng)和許多種飛控進行。
[0032]5)在真實環(huán)境的測試中，采用mavros作為ROS系統(tǒng)與mavlink通用協(xié)議的轉(zhuǎn)換組件。飛行器上的飛行控制模塊通過mavlink協(xié)議和PC端的ROS系統(tǒng)進行通訊。這樣，在ROS中測試過的視覺算法就可以和真實飛行器進行交互。經(jīng)過仿真測試之后的視覺算法可以非常方便地應(yīng)用到實際飛行器的測試中來，提高了算法測試的安全性和高效性。
【主權(quán)項】
1.一種通用的無人機視覺仿真平臺，其特征在于:所述仿真平臺包括仿真環(huán)境部分和真實環(huán)境部分，所述仿真環(huán)境部分包括機器人操作系統(tǒng)ROS、開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和用于把ROS系統(tǒng)傳過來的信息轉(zhuǎn)換成不同飛控能識別的控制信息的通用無人機連接接口，所述通用無人機連接接口支持ROS系統(tǒng)，所述開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和通用無人機連接接口均與機器人操作系統(tǒng)ROS連接；所述真實環(huán)境部分包括飛行器機架和飛行控制器，所述通用無人機連接接口與所述飛行控制器連接。2.如權(quán)利要求1所述的一種通用的無人機視覺仿真平臺，其特征在于:所述通用無人機連接接口中，輸入端是ROS系統(tǒng)傳入的邏輯層控制信息，獲取到邏輯層控制信息后，在準(zhǔn)備發(fā)送給無人機的飛控之前需要進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，對控制信息針對某個飛控進行轉(zhuǎn)化后發(fā)給飛行控制器。3.如權(quán)利要求2所述的一種通用的無人機視覺仿真平臺，其特征在于:所述轉(zhuǎn)化的過程如下: 針對AR.Drone的飛控需要把邏輯的上下左右控制轉(zhuǎn)化為AR.Drone驅(qū)動可以識別的控制消息，然后通過WIFI傳輸給AR.Drone飛行控制器實現(xiàn)控制； 針對Pixhawk飛控同樣把接口的邏輯控制信息轉(zhuǎn)化為mavlink消息再發(fā)給Pixhawk飛行控制器； 針對ASCTEC的飛控也需要把邏輯控制信息轉(zhuǎn)化為ASCTEC驅(qū)動可以識別的消息再發(fā)送給飛行控制器。4.如權(quán)利要求1?3之一所述的一種通用的無人機視覺仿真平臺，其特征在于:所述機器人操作系統(tǒng)ROS還包括用戶交互界面，用于讓用戶去選擇需要連接的飛控類型。
【專利摘要】一種通用的無人機視覺仿真平臺，包括仿真環(huán)境部分和真實環(huán)境部分，所述仿真環(huán)境部分包括機器人操作系統(tǒng)ROS、開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和用于把ROS系統(tǒng)傳過來的信息轉(zhuǎn)換成不同飛控能識別的控制信息的通用無人機連接接口，所述通用無人機連接接口支持ROS系統(tǒng)，所述開源的機器人仿真平臺模塊Gazebo、視覺算法庫和通用無人機連接接口均與機器人操作系統(tǒng)ROS連接；所述真實環(huán)境部分包括飛行器機架和飛行控制器，所述通用無人機連接接口與所述飛行控制器連接。本發(fā)明提供一種具有良好的擴展性和通用性的無人機視覺仿真平臺。
【IPC分類】G05B17/02
【公開號】CN104950695
【申請?zhí)枴緾N201510415014
【發(fā)明人】張劍華, 萬富華, 步青, 謝榛, 鄒祎杰, 劉盛, 陳勝勇
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年7月15日