Python自动驾驶无人机与飞行控制
一、概述
随着社会发展现状日新月异，在无人驾驶技术方面投入了大量资源，并取得了显著进展. 该技术已延伸至多个细分领域，并展现出广阔前景. 据了解，在智能驾驶设备中主要包含三类核心系统: 智能决策系统, 智能感知系统以及智能执行系统. 这些系统能够实现对周围环境信息的有效捕捉与处理，并据此生成相应的决策信息.
开发Python无人驾驶无人机需要依赖硬件平台的支持，并且本文将深入探讨Python与Pixhawk协同开发方案。
二、飞行控制
1.传感器
Pixhawk搭载了九组传感器模块来监测飞行器的姿态、速度与加速度信息。其中包含三个加速度计模块用于测量飞行器的加速情况、三个陀螺仪模块用于记录旋转运动参数以及三个磁力计模块则负责捕捉地磁场变化数据。这些精密传感器组合能够提供全面而精确的飞行状态反馈从而确保系统的稳定运行。
2.控制器
Pixhawk采用了配备Cortex M4内核的高性能STM32F427微控制器来负责执行数据采集、算法计算和指令输出的任务序列。该微控制器运行频率达到180MHz，并展现出卓越的处理能力。
3.飞行控制算法
在Pixhawk系统中采用了多种飞行控制系统方案，并包括PID控制器与卡尔曼滤波器这两种核心算法。其中PID控制器主要负责调节无人机的姿态以维持其稳定运行；卡尔曼滤波器则旨在对传感器数据进行去噪处理并实时更新状态信息，在此过程中能够有效提升姿态与速度的测量准确性。
三、Python编程
1.Python与Pixhawk的连接
Pixhawk与计算机之间采用了串口方式进行连接，在程序开发中，Python能够利用PySerial库实现串口通讯功能。具体的实现方法可以通过以下代码片段完成：
import serial
ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 57600, timeout=1) //此处串口号和波特率需要与Pixhawk的设置相同
代码解读接下来, 用户可以通过调用Python的read( )和write( )函数来完成数据的读取与传输操作. 另外一种途径是利用PyMAVLink库与Pixhawk进行通讯.
2.控制指令的发送
Pixhawk采用的控制指令基于MAVLink协议体系设计，在Python环境下可以通过调用PyMAVLink库来生成相应的MAVLink消息进而完成对Pixhawk飞行平台的自动化控制功能。例如，在实际应用中为了实现特定的任务需求我们可以将飞行器状态设置为起飞模式具体代码实现可通过以下段落展示：
import time
from pymavlink import mavutil
# Connect to the MAVLINK interface
master = mavutil.mavlink_connection('/dev/ttyACM0', baud=57600)
# Wait for the connection to complete
while True:
msg = master.recv_match()
if not None:
break
# Choose takeoff altitude
takeoff_altitude = 10
# Send MAV_CMD_NAV_TAKEOFF command to MAVLink
master.mav.command_long_send(
master.target_system, # target_system
master.target_component, # target_component
mavutil.mavlink.MAV_CMD_NAV_TAKEOFF, # command
0, # confirmation
0, # param1
0, # param2
0, # param3
0, # param4
0, # param5
0, # param6
takeoff_altitude # param7
)
time.sleep(10) #等待飞行器完成起飞
代码解读3.数据的读取和处理
Pixhawk可通过串口通信向计算机发送传感器数据及控制指令的执行结果。Python可借助PyMAVLink库来获取并处理这些数据。以下展示了一个具体的代码片段：
import serial
import time
from pymavlink import mavutil
ser = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 57600, timeout=1)
master = mavutil.mavlink_connection('/dev/ttyACM0', baud=57600)
# Wait for the connection to complete
while True:
msg = master.recv_match()
if not None:
break
while True:
# wait for a message to arrive
msg = master.recv_match(type='ATTITUDE', blocking=True)
# print the message data
print("Pitch: {0}".format(msg.pitch))
print("Roll: {0}".format(msg.roll))
print("Yaw: {0}".format(msg.yaw))
代码解读四、自动驾驶
Python实现自动驾驶无人机的方法有很多，这里仅介绍其中的一种方法。
1.目标点的确定
为了实现无人机的自动驾驶任务，在此之前必须先确定好目标点。这些信息来源包括GPS定位系统和基于图像的识别技术。其中主要采用的是GPS定位系统的数据。
2.飞行控制算法
为实现无人驾驶无人机任务目标，在无人机飞行控制系统中必须采用一系列先进的飞行控制系统方案。其中关键的技术包括路径规划算法和障碍物规避机制等基础支撑技术。在本研究中，则采用了PX4平台下的Offboard模块作为核心控制单元来进行自动驾驶功能的集成开发。
该系统通过与PX4平台的数据传输接口实现对飞行器的操作管理功能。该API允许开发人员无需依赖人工干预地完成对无人机的操作指令。
3.执行任务
飞行器在执行自动驾驶任务时需要完成以下步骤：
- 连接到Pixhawk
- 设置Offboard模式
- 起飞并悬停
- 到达目标点
- 降落
下面是一个示例代码，用于执行无人驾驶无人机的任务：
import time
from pymavlink import mavutil
# Connect to the MAVLINK interface
master = mavutil.mavlink_connection('/dev/ttyACM0', baud=57600)
# Wait for the connection to complete
while True:
msg = master.recv_match()
if not None:
break
# Enter OFFBOARD mode
master.mav.command_long_send(
master.target_system, # target_system
master.target_component, # target_component
mavutil.mavlink.MAV_CMD_DO_SET_MODE, # command
0, # confirmation
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, # param1
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, # param2
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, # param3
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, # param4
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, # param5
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, # param6
mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED # param7
)
# Wait for OFFBOARD mode to be set
time.sleep(2)
# Arm the drone
master.arducopter_arm()
# Wait for arming to complete
time.sleep(2)
# Take off
takeoff_altitude = 10
master.mav.command_long_send(
master.target_system, # target_system
master.target_component, # target_component
mavutil.mavlink.MAV_CMD_NAV_TAKEOFF, # command
0, # confirmation
0, # param1
0, # param2
0, # param3
0, # param4
0, # param5
0, # param6
takeoff_altitude # param7
)
# Wait for takeoff to complete
time.sleep(10)
# Go to target point (latitude, longitude, altitude)
target_lat = 39.974182
target_lon = 116.340056
target_alt = 15
master.mav.command_long_send(
master.target_system, # target_system
master.target_component, # target_component
mavutil.mavlink.MAV_CMD_NAV_WAYPOINT, # command
0, # confirmation
0,
代码解读