无人机多任务寻径仿真软件与实验平台（一）

项目背景：

近年来，无人机的应用领域已经得到了极大的拓展，旋翼无人机凭借较大的载荷，稳定的飞行状态与对高空环境的高度适应，成为了应用最为广泛的一类无人机。

在欧洲，北美洲等地区，存在大量人烟稀少，信号质量较差乃至无信号的森林，荒原地区，对这些地区进行环境实时监测成为了一项重要工作，由于缺乏基础设施建设以及地面环境复杂，设置无源的检测平台成为了可行的方案，而如何从这些分布广泛的平台采集数据成为了项目的难点。为此，旋翼无人机提供了一种策略，既通过旋翼无人机周期性的飞行，在一定区域内的所有无源监测站上空采集数据，并最终由无人机传输到数据中心。在可以预见的未来，无人机甚至可以胜任更换电池，调整监测站位置，定点提取等任务，最终打造智能，可靠，可持续的空中地面物联网网络。

为了满足上述基本要求，旋翼无人机的路径选择算法成为了核心问题之一，由于无人机通常能源有限，飞行速度也有限制，高效节能地对数据进行采集需要一系列路径优化算法进行支持，也需要搭建基础实验平台，在野外实验之前进行提前验证。本项目的目标即是搭建模拟平台与室内无人机实验平台，对各类路径优化算法的性能进行直观的测试和验证，以及提出一种路径优化算法，对无人机多目标的工作路径进行进一步优化，以起到节约能源提高效率的最终目的。

   本项目的核心难点在于数据的提取，转换与处理，以及路径算法的构建。当前的旋翼无人机需要根据原厂提供的development kit进行扩展开发，其数据接口与实验器材提供的坐标数据存在较大差异，此外对于室内测定的任务点，如何转化成位于模拟平台上的可视化的坐标点，并进行后续路径规划将是亟待解决的问题。在模拟平台构建成功后，还需要开发路径算法模块，对多种路径优化算法进行测试以评价其优越性。最终，项目需要落实到硬件上，将模拟平台上的飞行控制导入实验平台，通过实际测试验证项目成果。

出自项目开题报告白皮书

目标：

本项目到截止时需要至少有以下成果：

 1.电脑端可视化应用既“无人机寻径仿真平台”，需要用图形化界面展现对于室内多航点任务的执行过程，在界面中用户可以通过点击或者手动设置坐标形式来设置实验航点，但大多数情况下为了验证飞行效果，需要由外部导入精确坐标点，该坐标点由nokov动作捕捉设备提取。

2.简单无人机飞控软件，该软件通过遥控器向Mavic2发出指令，实现室内航点飞行。通过dji sdk进行飞控软件开发，实现室内环境下无人机精确定点飞行。需要实现无人机坐标系和室内试验场坐标系的转换。此外通过数据接口可以获取无人机电量，载荷等情况，用于分析。

3.寻径算法云计算模块，从1中获取精确坐标点，由枚举+优化或其它启发式算法计算飞行路径，并将航点顺序反馈给1，2，在1中实现软件仿真，在2中控制无人机在室内执行飞行过程。

上述三部分基本形式如图：

 实现上述目标后，通过录像记录部分实验结果，进行展示。

难点分析：

1.坐标转换。对于Mavic2无人机来说，飞行控制基于以本机为坐标原点的坐标系，而在实验室环境下需要通过实验室坐标来控制定点飞行，因此在将坐标信息输入无人机之前需要进行坐标系转换工作，这部分工作难度较大，但是一旦实现单个定点飞行，则后续许多问题都将迎刃而解。

2.模拟仿真平台构建。构建模拟仿真平台将不得不考虑无人机的所受的物理影响，为了简单起见，这里仅仅采用最基本的几项参数，如无人机飞行速度等进行模拟，这部分需要形成图形界面，相对工程难度和代码量都很大。

3.数据网络搭建。Nokov设备本身连接seeker软件，而该软件可以通过vrpn服务器向ros广播数据，这部分就需要搭建实验室局域网，此外云计算平台返回的结果也需要通过互联网来传输，飞控软件也需要局域网来获取来自模拟仿真平台的数据，因此实验室搭建数据网络就成为了重要工作，如何保证数据准确顺利，低延迟地传递也是难题。

4.优化算法：对各类枚举、启发式搜索、最优化算法的效果进行验证，可能的情况下需要对先前的算法提供优化。

5.时间紧迫。

里程碑（加粗为早期里程碑）：

1.编写最基础的通过软件控制无人机飞行的控制器，实现无人机按照指令移动。（无需界面和定点飞行。）

2.实现坐标转换与无人机定点飞行，验证准确性。

3.搭建基本云计算框架，并至少填充一种算法，从接口返回路径数据。

4.能够从动作捕捉软件接收到数据，并通过接口发送给其它软件，实现数据传输。

5.实现无人机多个点连续飞行。

6.实现控制软件和模拟仿真平台的对接（通过数据接口）

7.实现无人机飞行数据的反馈。

8.在屏幕上显示与飞行路径，无人机相关的信息，并允许用户自行设置航点。

9.在8的基础上，由nokov设备读入航点。

10.实现无人机在室内按照路径定点飞行。

开发过程反馈：

每周5晚7点例会，组员每周至少更新一篇博客，项目博客两周更新一次最新进度，对于难以攻克的问题及时反馈，共同讨论。

前瞻性扩展：

1.对于单个模拟仿真软件，未来可以连接多个无人机飞控软件，而实现多无人机协同测试。（目前考虑到室内空间和技术问题，实现难度较大。）

2.基于真实物理的模拟仿真。

3.无人机高度控制（将实验场景扩展到三维界面）（暂不考虑）

来源：feilongzzz