基于Pixhawk的无人机室内通道自主避障研究

0引言

近年来，自主导航无人机以其低廉的成本、无人员伤亡风险、机动性能好、使用方便等优势，在高危作业、灾害航拍、抢险布控、环境监测等领域得到了广泛的应用[1]。目前小型自主导航飞行无人机避障仍然是小型四旋翼无人机的发展和突破的关键技术。结构简单，又能有效的避障通过系统是现在小型无人机亟待解决的主要问题。本课题就是以Pixhawk 作为无人机飞控，由树莓派3B +运行MAVROS 以及避障程序，通过串口连接，使用MAVLINK 通讯协议，来给处于离线控制模式（offboard 模式）的无人机飞控发送飞行航点指令，完成室内通道的避障穿越。

1系统总体结构

基于Pixhawk 飞控的无人机避障系统包括，搭载Pixhawk 的无人机和使用MAVROS 树莓派。无人机避障控制系统结构图如图1所示。

四旋翼无人机包括飞行控制系统，和MAVLINK 指令接收系统，飞行控制系统需要运行在Pixhawk 飞控上的PX4飞控源码，其中PX4源码主要包括uorb 、姿态解算、姿态控制、位置解算、位置控制、navigator 、commander 等。

飞控根据接收到的外载计算机发出的期望位置和飞行模式来进行避障飞行。

树莓派3B+上主要运行MAVROS 、避障航点解算以及连接超声波传感器。2010年，Willowgarage 公司发布了开源机器人操作系统ROS （Robot Operating System ）[2]。MAVROS 是ROS 的一个软件包，允许通过mavlink 协议在计算机和飞控板以及地面站之间通讯。通过左侧，前方，右侧三个方向超声波传感器来估计自身位置，由避障程序来计算安全飞行路径，通过MAVROS 把指令发送给无人机进行避障飞行。

无人机机体结构：

人机整体结构包括外形支架结构，控制面板以及起降辅助系统等。无人机外形支架结构的坠落预防机制和处理机制需要从材料商选择是考虑结构耐摔、耐压、耐磨损等因素[2]。无人机的机架不光要承担Pixhawk 飞控，树莓派3B+，超声波传感器以外，还要配置合适的电机和桨叶，以及对电机进行调速的电调，最后还需要供给能源的电池。同时，无人机的外形要尽可能符合空气动力学，尽可能降低风阻，质量分布均匀，保持飞机的稳定。无人机的试飞环境尽可能有一定的空间，防止发生坠机事故造成较大损失。具体无人机的硬件控制系统的结构如图2所示。

Pixhawk 无人机飞控板上集成了加速度计，气压计，陀

螺仪磁力计等飞行常用传感器，还可外接GPS 、无线通讯

器的外置信息交互处理硬件。芯片采用STM32F427

Cortex M4芯片作为核心处理器，而且还在飞控板上添加一个32bit STM32F103芯片作为协处理器，在主处理器发生故障或出现死机的情况下，由协处理器继续运行PX4源码，保证飞行安全，进一步增加了稳定性[4]。树莓派3B+上接入了三个GY-US42超声波传感器，GY-US42超声波传感器的测量距离为0.2-7.5m ，读取超声波传感器的信息方式为首先在一个引脚设置发出“低高基于Pixhawk 的无人机室内通道自主避障研究

Research on Autonomous Obstacle Avoidance of Indoor Channel of UAV Based on Pixhawk

杨旗YANG Qi ;崔玉博CUI Yu-bo ;陈杰CHEN Jie ;王家楠WANG Jia-nan

（沈阳理工大学机械工程学院）

（School of Mechanical Engineering ，Shenyang Ligong University ）

摘要:针对目前的无人机自主避障研究，以及无人机穿越的需求，提出了一套能完成避障穿越的四旋翼无人机避障系统。其中采

用了Pixhawk 作为无人机的飞行控制器，树莓派3B+上来运行MAVROS 和避障算法，以及连接超声波传感器，通过超声波传感器来判断无人机当前位置，通过MAVLINK 发布安全航点给无人机，进行避障穿越飞行。

Abstract:Aiming at the current research on autonomous obstacle avoidance of UAVs and the demand for UAV crossing,a set of four-rotor UAV obstacle avoidance systems capable of completing obstacle avoidance crossing is proposed.The Pixhawk is used as the flight controller of the drone,the Raspberry Pi 3B+is used to run the MAVROS and obstacle avoidance algorithms,and the ultrasonic sensor is connected.The ultrasonic sensor is used to judge the current position of the drone,and the safe waypoint is issued to the unmanned via MAVLINK machine to carry out obstacle avoidance flight.

关键词:无人机避障；室内飞行；通道穿越；MAVROS ；超声波测距Key words:drone obstacle avoidance ；indoor flight ；channel crossing ；MAVROS ；ultrasonic ranging

———————————————————————基金项目:本项目受辽宁省科技厅基金资助（基于TRIZ 理论的多

无人机协同多视角场景人体行为识别研究，项目编号

20170060）。

作者简介:杨旗（1976-），男，辽宁沈阳人，副教授，博士。

图1无人机避障控制

系统结构图