Разработка системы автономной ориентации и посадки БВС на маркированную площадку

Использованные технологии

• Компьютерное зрение: OpenCV для обработки изображений
• ArUco – позиционирования робототехнических систем с использованием компьютерного зрения
• Алгоритм управления: PID-регуляторы для точного удержания позиции и коррекции траектории.

Оборудование и комплектующие

• Orange PI
• Веб-камера низкого разрешения Live ACM138
• Сервопривод TowerPro SG92r

Программное обеспечение

• Языки: Python, C++
• Фреймворки: Visual Studio Code
• Моделирование: Gazebo9

Как работает

Универсальная система посадки состоит из вебкамеры и микрокомпьютер Orange Pi. Камера установлена на гиростабилизированный подвес, который необходим для стабилизации линии визирования в диапазоне от 0 до 45 градусов относительно вертикали вне зависимости от маневров носителя. Поиск метки осуществляется в положении линии визирования 45 градусов. После обнаружения метки осуществляется движение в ее сторону с удержанием метки в центре поля зрения и плавным изменением угла наклона камеры. При достижении вертикального положения линии визирования зависаем над центром метки и выполняем коррекцию курса носителя относительно площадки с меткой. Далее выполняем процедуру снижения. Для увеличения точности посадки используется маленький маркер внутри основного. Система посадки работает независимо от автопилота носителя, что позволяет считать данное решение универсальным.

Установка

Этот проект был реализован на компьютере с Ubuntu 18.04 с использованием ROS, Gazebo и OpenCV. Для его корректной работы необходимо установить следующее программное обеспечение.

Вы можете либо загрузить программное обеспечение, либо клонировать его непосредственно со своего терминала. Чтобы использовать последний, необходимо установить Git с помощью командной строки.:

#Установка Git
sudo apt install git

#Клонирование проекта
git clone https://github.com/Kenil16/master_project.git

Теперь проект можно установить со всеми зависимостями, запустив скрипт init_setup.bash. Теперь смените каталог и запустите скрипт инициализации:

#Change directory and execute the initialization script
cd software/ros_workspace/
. ./init_setup.bash

Установка и настройка системы завершены. Если вы хотите установить необходимое программное обеспечение по отдельности, выполните следующие шаги.

Установка зависимостей PX4:

#Установка пакетов через apt
sudo apt install astyle build-essential ccache clang clang-tidy cmake cppcheck doxygen file g++ gcc gdb git lcov make ninja-build python3 python3-dev python3-pip python3-setuptools python3-wheel rsync shellcheck unzip xsltproc zip libeigen3-dev libopencv-dev libroscpp-dev protobuf-compiler python-pip python3-pip ninja-build gstreamer1.0-plugins-bad gstreamer1.0-plugins-base gstreamer10-plugins-good gstreamer1.0-plugins-ugly libgstreamer-plugins-base1.0-dev libgstrtspserver-1.0-dev xvfb python-rosdep2

#Установка пакетов через pip
pip install --user argparse cerberus empy jinja2 numpy packaging pandas psutil pygments pyros-genmsg pyserial pyulog pyyaml setuptools six toml wheel rosdep

#Установка пакетов через pip3
pip3 install --user --upgrade empy jinja2 numpy packaging pyros-genmsg toml pyyaml pymavlink

ROS melodic используется в этом проекте и может быть установлен вместе с Gazebo:

#инициализация рабочего пространства
sudo rosdep init
sudo rosdep update

#Настройка вашего sources.list
$ sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

#Настройка ключей
$ sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

#Установка
$ sudo apt update
$ sudo apt install ros-melodic-desktop-full

Mavros можно установить с помощью:

#Установить mavros вместе с дополнительными пакетами
sudo apt install ros-melodic-mavros ros-melodic-mavros-extras -y

Установка зависимостей для запуска программных скриптов:

sudo apt update

sudo apt install ros-melodic-hector-gazebo-plugins dvipng

pip install pathlib numpy pandas opencv-contrib-python scipy pymavlink matplotlib

Установка Gazebo (протестировано на версии 9.16.0)

#Настройте свой компьютер для приема программного обеспечения с packages.osrfoundation.org.
sudo sh -c 'echo "deb http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'

#Настройка ключей
wget https://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - | sudo apt-key add -

#Установка
sudo apt-get update
sudo apt-get install gazebo9

#В противном случае Gazebo не будет работать.
sudo apt upgrade libignition-math2

Необходимо установить PX4, и эта установка предполагает, что PX4 SITL будет установлен в каталог /home. Можно легко создать другой каталог установки, но тогда необходимо будет соответствующим образом изменить символические ссылки:

#Инициализируйте среду PX4 SITL из вашей домашней папки
cd ~
mkdir PX4_SITL

cd PX4_SITL
git clone https://github.com/PX4/Firmware.git --branch v1.11.0

cd Firmware
git submodule update --init --recursive

#Создать символическую ссылку на модели пользовательского ПО в PX4 SITL
cd software/ros_workspace/
ln -s $PWD/PX4-software/init.d-posix/* /home/$USER/PX4_SITL/Firmware/ROMFS/px4fmu_common/init.d-posix/
ln -s $PWD/PX4-software/mixers/* /home/$USER/PX4_SITL/Firmware/ROMFS/px4fmu_common/mixers/
ln -s $PWD/PX4-software/models/* /home/$USER/PX4_SITL/Firmware/Tools/sitl_gazebo/models/
ln -s $PWD/PX4-software/worlds/* /home/$USER/PX4_SITL/Firmware/Tools/sitl_gazebo/worlds/
ln -s $PWD/PX4-software/launch/* /home/$USER/PX4_SITL/Firmware/launch/

#Сборка прошивки PX4 SITL
cd /home/$USER/PX4_SITL/Firmware
DONT_RUN=1 make px4_sitl_default gazebo

Как использовать

Чтобы настроить систему, необходимо запустить следующий файл конфигурации с терминала, чтобы подключить PX4 к среде ROS:

cd software/ros_workspace/
. ./setup_gazebo.bash

Для запуска программы необходимо выполнить следующую команду с вашего терминала:

#Run roslaunch which starts all the nodes in the system 
roslaunch px4 gazebo_sim_v1.0.launch worlds:=optitrack_big_board_onepattern_missing_markers.world drone_control_args:="idle" x:=-21.0 y:=0

Здесь вы можете определить мир из нескольких возможных настроек. По умолчанию БПЛА будет находиться в состоянии ожидания, но при желании его можно изменить на какое-либо задание.