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OpenUAV：CPS 和機(jī)器人社區(qū)的無人機(jī)測試平臺
開源PX4項目及QGroundControl等工具構(gòu)建了簡化多旋翼控制和基礎(chǔ)飛行的自動駕駛儀。為簡化編程，開發(fā)了ROS包MAVROS以與PX4通信。MAVROS讓用戶能以更高層次控制多旋翼，程序員可專注于算法實現(xiàn)而非基本飛行。為開發(fā)自動化控制、特定任務(wù)的多旋翼飛行器及未來無人機(jī)額外開發(fā)，需新工具和模擬器。
圖1在瀏覽器上可看到的模擬DJIf450多旋翼飛行器，通過openuav模擬器上的gzweb啟用。
目前，為開發(fā)無人機(jī)軟件或進(jìn)行無人機(jī)實驗，開發(fā)人員或研究人員從模擬開始，然后轉(zhuǎn)向真實機(jī)器人。圖2展示了仿真環(huán)境示例。對于模擬，用戶（即開發(fā)人員或研究人員）通常使用流行的工具ROS和Gazebo，使用ROS與Gazebo中的模擬機(jī)器人進(jìn)行通信。要運行可視化，用戶可以使用Gazebo或rviz。
圖2openuav仿真界面截圖。
設(shè)置這些工具的過程需要精通UNIX（或Linux）系統(tǒng)并使用功能強(qiáng)大的臺式計算機(jī)。這種進(jìn)入壁壘會抑制研究人員并阻礙現(xiàn)場系統(tǒng)的創(chuàng)新。這里，介紹了OpenUAV，一種專為無人機(jī)設(shè)計的開源、基于Web的仿真測試平臺。據(jù)我們所知，這是第一個開源的、支持云的無人機(jī)測試平臺。通過使用如圖2所示的基于云的模擬，由Ansible自動化，我們減輕了用戶在設(shè)置和昂貴的計算機(jī)硬件要求方面的先前Linux知識，這共同降低了進(jìn)入門檻。
圖3openuav測試平臺概述。用戶（白色）與前端界面（藍(lán)色）交互，前端界面調(diào)用必要的腳本以在后端openuav服務(wù)器（紅色）上使用用戶設(shè)置運行程序。
Openuav服務(wù)器組件負(fù)責(zé)運行模擬并將可視化和模擬數(shù)據(jù)報告回前端界面。服務(wù)器組件滿足可部署性、多用戶支持、易用性、速度和少量設(shè)置的要求。這些要求主要通過使用Docker和Ansible滿足。
圖4容器的可視化表示：A、B和C。Docker比虛擬機(jī)更輕量級，因為它只復(fù)制運行應(yīng)用程序所需的文件，而不是將整個操作系統(tǒng)復(fù)制到每個容器中。
PX4和Mavros通過提供與Gazebo一起使用的軟件在環(huán)(SITL)和硬件在環(huán)(HITL)模擬，縮小了模擬與真實世界測試之間的差距。SITL允許用戶使用與真實無人機(jī)相同的代碼進(jìn)行測試，HITL在無人機(jī)計算機(jī)上運行該代碼，但在測試計算機(jī)上進(jìn)行模擬以測試計算時間。這項工作的重點是SITL，因為用戶在遠(yuǎn)程機(jī)器上，如果必須將一系列HITL計算機(jī)連接到模擬機(jī)器，則測試平臺將無法擴(kuò)展。我們能夠?qū)⑽覀冏约旱幕贒JI Flame Wheel F450框架的多旋翼飛行器添加到基本模擬中，如圖5所示，該多旋翼飛行器用于2016年度NSF CPS UAV學(xué)生挑戰(zhàn)賽，并擴(kuò)展了測試系統(tǒng)。
圖5在opendav模擬器中使用的DJIf450機(jī)身和基于英特爾NUC i5的多旋翼無人機(jī)模型。
前端接口負(fù)責(zé)用戶身份驗證和與模擬的干凈接口。前端界面滿足測試平臺的云可訪問性要求，因為它托管在Cyber-Physical Systems Virtual Organization (CPS-VO)網(wǎng)站上。CPS-VO是一個來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的虛擬組織，其目標(biāo)是增加關(guān)于網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的知識。圖6是通過前端界面的可視化視圖。
圖6CPS-VO允許用戶在通過VO網(wǎng)站進(jìn)行身份驗證后訪問基于云的openuav模擬堆棧。
通信架構(gòu)和CPS-VO接口
圖7顯示了后端OpenUAV服務(wù)器和前端接口之間的通信。通信分兩個階段進(jìn)行。首先，從Docker容器到運行Ansible的主機(jī)OpenUAV服務(wù)器之間存在通信。其次，存在從主機(jī)、OpenUAV服務(wù)器到CPS-VO接口并返回的通信。為了提供安全性，SSL加密與前端的用戶身份驗證一起使用。模擬通過VO接口調(diào)用Ansible腳本來控制。模擬期間的可視化通過Gzweb發(fā)回。仿真后，ROSbags即ROS日志將發(fā)送給用戶進(jìn)行評估。
圖7openuav服務(wù)器、CPS-VO網(wǎng)頁和研究人員/學(xué)生之間的通信。如圖所示，ansible正在管理每個docker容器，并且容器通過轉(zhuǎn)發(fā)端口連接到主機(jī)。
我們能夠通過TensorBoard在Internet上持續(xù)監(jiān)控代理的進(jìn)度。Tensorboard允許持續(xù)實時監(jiān)控學(xué)習(xí)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。此外，它允許用戶查看原始數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Tensorboard托管在模擬容器內(nèi)，并通過從不斷更新的日志文件中讀取數(shù)據(jù)來獲取數(shù)據(jù)。Tensorboard的主要挑戰(zhàn)是確保它可以從容器外部訪問。我們能夠通過轉(zhuǎn)發(fā)到主機(jī)的端口來實現(xiàn)這一點。圖8顯示了避障模擬中的Tensorboard瀏覽器界面。
圖8來自避障模擬的張量板瀏覽器界面。
多無人機(jī)案例研究的目標(biāo)是確定使用我們改進(jìn)的PX4控件設(shè)置和控制多架無人機(jī)的難易程度。PX4不是為了控制多個無人機(jī)而創(chuàng)建的。我們修改了PX4來模擬多個UAV，每個UAV都獨立控制。我們選擇了一個使用多架無人機(jī)進(jìn)行計劃優(yōu)化的用例。這種編隊已被證明對長途飛行的鳥類來說是節(jié)能的，如圖9所示。
圖9V形隊形中的最佳位置：每只鳥的視野清晰、速度匹配和上洗效益，除了沒有獲得上洗效益的雞群領(lǐng)頭羊。
為了使用OpenUAV堆棧，我們編寫了一個訂閱Matlab代碼發(fā)布的多無人機(jī)姿態(tài)數(shù)組的節(jié)點。然后，OpenUAV ROS節(jié)點將所需的位置和偏航（設(shè)置為固定值）發(fā)布到每架無人機(jī)上的PX4位置控制器?？梢栽贕zweb上的任務(wù)期間監(jiān)控模擬（圖10），然后可以收集一個rosbag文件進(jìn)行分析。
圖10屏幕截圖顯示了簡化的2D可視化（頂部），以及openuav模擬器上四個無人機(jī)編隊的gzweb視圖。
OpenUAV可以作為無人機(jī)仿真的有效測試平臺。雖然案例研究在測試平臺上是有效的，但因為與前端界面的通信正在開發(fā)中，缺乏簡單的用戶界面。用戶必須通過ssh連接，同時還要在不同的url上查看Gzweb和Tensorboard。盡管如此，用戶遠(yuǎn)程連接，幾乎不需要安裝，并且遠(yuǎn)程用戶不需要本地計算機(jī)來進(jìn)行測試。此外，多個模擬可以同時運行而不受干擾。
多重隨機(jī)標(biāo)簽
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