基于PX4开源飞控的人工神经网络( ANN)无人机编队应用方案

小禹宇鱼

路径规划算法(无人机应用)总结篇

路径规划算法(人工神经网络)无人机应用篇

构建一个基于PX4开源飞控系统和嵌入式主机运行人工神经网络（ANN）模型的无人机编队飞行方案，可以分为以下几个关键步骤：
1. 硬件平台选择与集成

飞控硬件选择：

PX4兼容飞控板：例如Pixhawk系列（如Pixhawk 4、Cube Black等）或者更高级别的飞控解决方案，这些飞控板内置了高性能微控制器和多种传感器，能够实现精准的姿态控制、位置控制以及高度保持。它们通常配备有以下核心传感器组件：

IMU（惯性测量单元）：用于实时测量无人机的加速度和角速度。

GPS/RTK GPS模块：提供精确的全球定位信息。

气压计：用于确定无人机的海拔高度。

磁力计：检测地球磁场方向以确定航向。

距离传感器（如超声波或激光雷达）：用于地形跟随或其他避障功能。

此外，还应确保飞控硬件支持扩展无线通信模块，以便与其他无人机进行数据交换。例如，可以通过Wi-Fi、433MHz/915MHz射频模块或专为无人机设计的数传电台来实现Mavlink协议的通信，这是实现多机协同的基础。
嵌入式主机选择与集成：

计算平台：选用具有足够算力的嵌入式计算机，如树莓派4B+、NVIDIA Jetson Nano、Jetson Xavier NX或AGX Xavier等。这些平台不仅拥有强大的处理器，而且还集成了GPU，特别适合运行神经网络算法。

接口配置：

确保嵌入式主机通过串行通信接口（UART、I²C、SPI）与PX4飞控板连接，以便读取传感器数据和发送控制指令。

如果可能，使用高速串行总线如USB或以太网进行数据传输，提高数据吞吐量和实时性能。

在嵌入式主机上安装必要的驱动程序和中间件，比如MAVLink库，用于与PX4之间的双向通信。

软件开发：

开发一个适配层，使得嵌入式主机上的神经网络应用可以解析来自PX4的数据，并将处理后的控制命令回传给PX4飞控系统。

根据实际需求训练和优化神经网络模型，并将其部署到嵌入式主机上。

实现一种机制，使嵌入式主机能够根据收到的无人机状态信息和其他无人机的位置信息，实时更新并执行神经网络决策结果。

2. PX4飞控系统配置

安装PX4固件

选择目标硬件：根据所选的飞控硬件（如Pixhawk系列），从PX4官方文档中找到对应的硬件支持和固件版本。

下载PX4源码或预编译固件：从GitHub上的PX4源代码仓库下载源码，或者直接获取预编译好的固件包。

编译固件（如果使用源码）：在开发环境中设置好工具链，根据自己的硬件平台编译PX4固件。执行make px4_fmu-vX命令（其中vX为具体硬件版本号）生成固件文件。

上传固件：通过QGroundControl地面站软件或其他串口烧录工具将固件上传到无人机的飞控板上。
配置基本飞行功能

校准传感器：在QGroundControl中完成IMU、磁力计、气压计、GPS等传感器的校准，确保自主飞行所需的基础数据准确无误。

启用姿态控制、位置控制、高度保持模式：


在Mavlink参数系统中，设置相关参数以启用所需的飞行模式（例如MPC_POS_MODE=1开启位置控制，MC_ATTITUDE_CONTROL=1开启姿态控制等）。

根据实际需求调整PID控制器参数，优化飞机在不同模式下的性能表现。

开启与嵌入式主机的数据交互接口

启用MAVLink通信：在PX4固件中，MAVLink通常是默认启用的，用于无人机与地面站之间的通信。确认其正常工作，并且支持传输无人机状态信息以及接收来自地面站或嵌入式主机的控制指令。

配置消息流：


确保必要的MAVLink消息被发送出去，如无人机的位置、速度、姿态信息（如GLOBAL_POSITION_INT、LOCAL_POSITION_NED、ATTITUDE等）。

同时，在PX4端接收并处理来自嵌入式主机的控制指令，例如SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED、SET_ATTITUDE_TARGET等。


接口连接：


将飞控板与嵌入式主机通过UART、USB或其他高速通信接口连接起来，配置相应的波特率、数据位、停止位和校验位。

在嵌入式主机上编写程序，监听指定接口传来的MAVLink消息，并解析出所需的状态信息；同时，编写发送部分代码，向飞控板发送经过神经网络处理后的控制指令。

3. 开发神经网络模型

航迹规划模型

设计与训练方案：

数据准备：首先收集或模拟不同场景下的无人机飞行数据，包括环境因素（如风速、地形）、任务要求（目标路径、禁飞区等）和其他约束条件。

模型架构：可以采用深度学习中的序列到序列（Sequence-to-Sequence, Seq2Seq）模型或者基于图神经网络（Graph Neural Networks, GNN）的方法构建模型，输入是起始点信息、环境信息和任务要求，输出是一系列最优航迹点。

损失函数设计：损失函数应反映航迹的安全性、效率和可行性，可能包括但不限于航程最短、时间最省、能源消耗最小以及遵守飞行规则的程度等因素。

训练过程：利用大量带有标签（即已知最优航迹）的数据集对模型进行训练，通过反向传播优化模型参数，使其能够预测出在各种条件下最优的航迹点序列。

评估与验证：在验证集上测试模型性能，评估其生成航迹的质量，并根据需要调整模型结构或训练策略以提高预测精度。

相对定位模型

设计与训练方案：

传感器融合：结合无人机上的多种传感器数据，如视觉传感器、雷达、激光测距仪、GPS/RTK和IMU等获取无人机自身及其周围环境的状态信息。

神经网络架构：使用卷积神经网络（CNNs）处理视觉信息，或者递归神经网络（RNNs）处理连续时序信号，对于多模态信息融合可采用Transformer或更复杂的时空感知网络。

训练数据：创建包含不同编队配置、速度、角度及遮挡情况下的相对位置标注数据集。

损失函数：设计一个能衡量预测相对位置误差的损失函数，例如均方误差（MSE），并考虑加权因子以强调关键区域的准确性。

训练与校准：训练网络估计单个无人机相对于其他无人机的位置和速度，同时考虑到传感器噪声和延迟，可能还需要结合实际物理模型进行在线校准。

协同控制模型

设计与训练方案：

系统建模：将每个无人机视为一个多智能体系统的一部分，定义每个无人机的状态空间、动作空间以及与其他无人机的交互方式。

网络结构：应用深度强化学习（Deep Reinforcement Learning, DRL）技术，如深度Q网络（DQN）、双DQN、策略梯度方法（如PPO、DDPG等）或多智能体版本（如MADDPG、M-A2C）来设计网络架构。

状态输入：输入层接收每个无人机的当前位置、速度、目标位置、相对定位信息以及飞行环境参数等。

动作输出：输出层为每个无人机生成飞行控制指令，如推力分配、俯仰角、滚转角和偏航角命令。

奖励函数：设计奖励函数来指导网络学习到良好的协同行为，比如保持预定队形、避免碰撞、快速到达目标位置等。

仿真训练：在高度逼真的无人机编队飞行仿真环境中进行训练，使网络不断迭代更新以优化其控制策略。

迁移学习与在线适应：在真实环境中部署前，可以先在模拟器中充分训练，然后在真实飞行过程中继续微调和在线学习，以适应实际飞行条件的变化。

4. 优化与移植神经网络模型

a.模型选择与训练：

首先，在设计和训练阶段就应考虑目标嵌入式平台的资源限制。采用轻量级网络架构（如MobileNet、SqueezeNet等），并在训练时控制模型复杂度，减少层数、通道数或者滤波器大小。

b.模型转换：

使用TensorFlow Lite (TFLite)：在训练完成后，使用TensorFlow的tf.lite.TFLiteConverter API将模型从标准的.pb格式或.h5格式转换成TensorFlow Lite格式。转换过程中可以指定量化策略。

使用ONNX Runtime：首先将模型导出为ONNX格式，然后通过ONNX Runtime提供的工具或API将其进一步优化并转换为适合嵌入式设备的形式。

c.模型量化：

量化是将浮点权重和激活映射到低精度数据类型（例如8位整数）的过程。对于TFLite，可以使用全量量化（post-training quantization）或量化-aware训练来实现；在ONNX Runtime中，也有类似的量化选项。

全量量化可以在不重新训练模型的情况下减小模型大小，但可能牺牲一定的准确率。量化-aware训练则在训练期间考虑到量化的影响，以最小化精度损失。

d.模型剪枝：

剪枝是一种降低模型复杂度的方法，它删除对最终预测影响较小的权重或通道。这可以通过结构化剪枝（移除整个卷积核或层）或非结构化剪枝（仅移除部分权重）来实现。在TensorFlow中有专门的库（如tensorflow_model_optimization) 提供了模型剪枝的功能。

e.模型优化：

在转换工具中启用额外的优化选项，比如常量折叠、算子融合、冗余操作消除等，这些都能进一步压缩模型体积并提升运行效率。\



f.验证与调整：


转换和优化后的模型需在目标嵌入式平台上进行测试，确保其性能满足实际应用需求。根据测试结果微调优化参数或调整模型结构。


g.部署与集成：


将优化后的模型文件与适当的推理引擎库一起集成到嵌入式系统的软件栈中，编写相应的接口代码以便在应用程序中调用模型进行实时推理。

5. 嵌入式主机上的实时处理

MAVLink接口开发：


MAVLink是一种广泛应用于无人机通信的协议，用于不同组件之间交换信息。首先，你需要在嵌入式主机上安装并配置支持MAVLink的库（如mavlink或pymavlink）。

编写代码来初始化MAVLink连接，监听和解析来自PX4飞控系统的实时传感器数据包。同时，也要创建发送端口以向PX4发送控制指令。

Python1# 示例伪代码
2import mavlink
3
4# 初始化MAVLink连接
5connection = mavlink.create_connection('udp:localhost:14550')
6
7# 创建一个循环以实时读取数据
8while True:
9    # 接收传感器数据消息
10    msg = connection.recv_msg()
11    if msg and msg.get_type() == 'SENSORS':
12        process_sensor_data(msg)
13   
14    # 根据需要发送控制指令
15    control_command = generate_control_command()
16    connection.send(mavlink.command_long_encode(
17        target_system,  # 目标系统ID
18        target_component,  # 目标组件ID
19        MAV_CMD_NAV_WAYPOINT,  # 控制命令类型（示例为导航至航点）
20        0,  # 命令确认（0为无需确认）
21        0,  # 参数1（例如航点索引）
22        0, 0, 0, 0,  # 其他参数（根据具体命令填充）
23        lat, lon, alt  # 航点坐标
24    ))
25
26def process_sensor_data(data):
27    # 处理接收到的传感器数据，例如IMU、GPS等
28    pass
29
30def generate_control_command():
31    # 使用神经网络模型生成控制指令
32    return neural_network_controller(current_environment, formation_status)