為NXP Hovergames3開(kāi)發(fā)的AutoSQA項(xiàng)目文章

線性執(zhí)行器的力傳感組件。

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該平臺(tái)由一個(gè)簡(jiǎn)單的電路板控制，該電路板由 Arduino Pro Mini 和 DRV8825 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成（參見(jiàn)：https ://microdigisoft.com/drv8825-motor-driver-and-28byj-48-stepper-motor-with-arduino /).我在這里忽略的一個(gè)小細(xì)節(jié)是，此步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器僅適用于 8V 以上的電源電壓，因此它僅適用于幾乎充滿電的電池（2S lipo 完全充電有 8.4V）。此外，步進(jìn)電機(jī)是一個(gè) 5V 部件，因此步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器會(huì)使電機(jī)稍微過(guò)載。從我的測(cè)試來(lái)看，這似乎不是問(wèn)題，即使沒(méi)有電流限制，電機(jī)也不會(huì)在一次完全啟動(dòng)所需的相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)變熱。另外，當(dāng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，我會(huì)禁用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，以避免過(guò)度驅(qū)動(dòng)電機(jī)。Arduino 還會(huì)對(duì)力傳感器進(jìn)行采樣，并在力高于閾值（開(kāi)始舉起 Buggy 的力值）時(shí)中止驅(qū)動(dòng)。Arduino 的這塊板的控制是通過(guò)串行 (UART) 接口使用簡(jiǎn)單的 ASCII 樣式命令完成的，

硬件、3D 打印部件可在我的 Thingiverse ( https://www.thingiverse.com/thing:5936797 ) 上獲得，而軟件、Arduino 代碼已添加到附件部分。

空氣傳感器

使用的空氣傳感器是 BME688，這是一款 4 合 1 緊湊型傳感器，在同一封裝內(nèi)包含溫度、壓力、濕度和氣體傳感器。溫度、濕度和壓力可以直接（通過(guò) I2C）讀出，而氣體傳感器可以使用 BME AI-Studio 進(jìn)行訓(xùn)練，以定制其對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的靈敏度。遺憾的是，由于時(shí)間限制，我無(wú)法充分利用 BME688 傳感器，特別是針對(duì)我的應(yīng)用的氣體傳感器培訓(xùn)尚未完成，但軟件和工具已在采集板上就位。

土壤傳感器

如前所述，它們是各種不同的土壤傳感器。根據(jù)它們與土壤相互作用/采樣的方式，它們可以分為兩組：直接接觸傳感器和間接接觸傳感器。該項(xiàng)目使用第一類土壤傳感器，盡管最初我計(jì)劃使用 EM 傳感器原理在土壤中感應(yīng)磁場(chǎng)然后讀取反射和衰減的二次場(chǎng)來(lái)開(kāi)發(fā)低成本的間接接觸土壤傳感器。但是，再次，有限的時(shí)間讓我選擇了使用現(xiàn)成的直接接觸傳感器的更簡(jiǎn)單的解決方案。

實(shí)際上，我購(gòu)買了幾 (4) 個(gè)現(xiàn)成的傳感器，它們都很受歡迎，而且很容易在網(wǎng)上找到。其中兩個(gè)測(cè)量土壤的 EC（電導(dǎo)率），為此目的使用帶有兩個(gè)外露探針的 PCB。另一個(gè)測(cè)量土壤的介電特性（電容），同樣使用帶有兩個(gè)探針的 PCB，但這次它們與土壤隔離。最后是所謂的三合一土壤傳感器，它是為家庭使用而銷售的，它使用電流原理，因此是自供電的。下圖顯示了所有 4 個(gè)傳感器：

獲得的土壤傳感器，從左到右分別是兩個(gè) EC 傳感器、電容傳感器和三合一傳感器。

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我在我愛(ài)植物的女朋友的幫助下，在不同的測(cè)試條件下測(cè)試了所有這四個(gè)傳感器。在“實(shí)驗(yàn)和結(jié)果”部分中有更多相關(guān)信息。最后，雖然最有前途的是電容式傳感器，但還是使用了三合一傳感器，因?yàn)樗亲顖?jiān)固的傳感器，可以插入土壤中，并且最容易與土壤驅(qū)動(dòng)平臺(tái)集成（非常長(zhǎng)探針?。?。

為了結(jié)束本節(jié)，以及硬件部分，土壤傳感器的圖片安裝到安裝到 MR-Buggy3 的執(zhí)行器：

安裝在 MR-Buggy3 上的土壤傳感器和執(zhí)行器。

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因此，從上圖可以看出，相對(duì)較重的執(zhí)行器安裝在 MR-Buggy3 的背面，可憐的 Buggy 觸底反彈。嬰兒車上的彈簧太軟了，特別是在增加重量的情況下。這就是減震器中的彈簧必須更換的原因，但由于我在項(xiàng)目后期才意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，新彈簧尚未到貨（而且這些彈簧的運(yùn)輸時(shí)間也很長(zhǎng)......）。

第 3 部分：大腦 (NavQPlus)

安裝并與 MR-Buggy3 集成的 NXP NavQPlus 構(gòu)成了自主采樣 Buggy 的中心。它負(fù)責(zé)管理 Buggy 上發(fā)生的所有動(dòng)作，在環(huán)境中四處移動(dòng)，收集傳感器數(shù)據(jù)，獲取任務(wù)并跟蹤它們，并報(bào)告回采樣數(shù)據(jù)（并非所有這些都已實(shí)現(xiàn)......）。負(fù)責(zé)或完成這些任務(wù)的代碼開(kāi)發(fā)為 ROS 2 節(jié)點(diǎn)，在 NavQPlus 上運(yùn)行。ROS 2 節(jié)點(diǎn)的全局概覽以及軟件系統(tǒng)架構(gòu)的總體概覽如下方框圖所示：

控制系統(tǒng)概述。

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由此我們可以看出，NavQPlus，即ROS 2個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，可以分為4組：

• 運(yùn)動(dòng)：這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將 Buggy 從 A 點(diǎn)帶到 B 點(diǎn)，同時(shí)跟蹤其位置 [大部分已實(shí)現(xiàn)，但并非全部測(cè)試，一些參數(shù)未調(diào)整]。
• 數(shù)據(jù)采集??：該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器移動(dòng)到土壤執(zhí)行器的位置，從整個(gè)采集板上的傳感器收集數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)布到采集服務(wù)器（集線器）[大部分已實(shí)現(xiàn)]。它的代碼可以在這里找到：https://github.com/NotBlackMagic/AutoSQA-Acquistion
• Mission Planning（和路徑跟隨）：這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向任務(wù)服務(wù)器（Hub）請(qǐng)求一個(gè)新的Mission，并使Buggy跟隨任務(wù)：在定義的點(diǎn)跟隨任務(wù)路徑和采樣點(diǎn)，以及避開(kāi)障礙物和其他危險(xiǎn) [未實(shí)施]。
• 圖像處理：這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)通過(guò)深度感應(yīng)立體相機(jī)設(shè)置定位越野車路徑上的障礙物，并通過(guò)圖像識(shí)別在環(huán)境中找到有趣的特征。[只實(shí)施了立體相機(jī)的基本測(cè)試]。

其中一些部分，如運(yùn)動(dòng)和圖像處理，也可以獨(dú)立用于其他應(yīng)用程序。所有 ROS 2 節(jié)點(diǎn)均使用 ROS 2 Humble 開(kāi)發(fā)，并經(jīng)過(guò)測(cè)試可在運(yùn)行預(yù)裝 ROS 2 的 Ubuntu 22.04 映像的 NavQPlus 上運(yùn)行（https://github.com/rudislabs/navqplus-create3-images/releases/tag/ v22.04.2 ）。

以下小節(jié)將更詳細(xì)地討論其中一些部分并給出說(shuō)明。

運(yùn)動(dòng)

當(dāng)前版本的 PX4 自動(dòng)駕駛儀 Beta V1.14 僅支持流動(dòng)站和船的兩種飛行（駕駛？）模式，框架類型：手動(dòng)模式和任務(wù)模式，后者也僅支持 GPS。( https://docs.px4.io/main/en/getting_started/flight_modes.html#rover-boat )。由于這個(gè)原因，也因?yàn)槲业捻?xiàng)目需要對(duì) Buggy 進(jìn)行位置控制，我決定在 NavQPlus 上運(yùn)行的 ROS 2 中為 MR-Buggy3 實(shí)施一個(gè)完整的、離板的、運(yùn)動(dòng)和測(cè)距系統(tǒng)。我將其稱為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并且我嘗試以一種方式設(shè)計(jì)它，以便將來(lái)可以將其基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移到 PX4 自動(dòng)駕駛儀上。也正是在這里，開(kāi)發(fā)的車輪編碼器被集成到整個(gè)系統(tǒng)中。

Locomotion 系統(tǒng)作為一個(gè) ROS 2 包，由 7 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中只做一小部分。這些節(jié)點(diǎn)之間的交互，使用的消息類型和接口，以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 python 文件的名稱，如下方框圖所示：

運(yùn)動(dòng)子系統(tǒng)概述框圖。

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在我更好地解釋這些節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)之前，我們將看看我們?nèi)绾螌⑦\(yùn)行在 FMUK66 上的 PX4 連接到 NavQPlus 并將其集成到 ROS 2 中。從 Beta V1.14 開(kāi)始，PX4版本，將 PX4 連接到板外 PC 的兩種主要方式：使用 MAVLink 或使用 uROS 鏈接（使用 microDDS）。uROS 鏈接是 V1.14 版本的 PX4 的新鏈接，我只是用 SITL 模擬對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)短的測(cè)試，但它大大簡(jiǎn)化了與 PX4 之前版本的 ROS 的集成。讓我們快速瀏覽一下如何設(shè)置它。

PX4 通過(guò) uROS (microDDS) 到 ROS

在PX4端，啟動(dòng)microDDS服務(wù)很簡(jiǎn)單，在SD卡/etc/extras.txt中添加如下啟動(dòng)命令即可，當(dāng)microDDS服務(wù)要運(yùn)行在以太網(wǎng)上時(shí)（受到推崇的）。另請(qǐng)參閱： https: //docs.px4.io/main/en/modules/modules_system.html#microdds-client和https://docs.px4.io/main/en/ros/ros2_comm.html。

set +e
microdds_client start -t udp -p 14551 -h 10.0.0.3
set -e

或者這個(gè)，如果它要在串行鏈路上運(yùn)行（不推薦并且可能由于串行鏈路的低帶寬而導(dǎo)致問(wèn)題）：

set +e
microdds_client start -t serial -d /dev/ttyS3 -b 921600
set -e

這些命令啟動(dòng) PX4 上的 microDDS 服務(wù)，它將在選定的接口上發(fā)布定義的 uORB 消息，然后可以通過(guò)機(jī)外計(jì)算機(jī)端的 uROS 訪問(wèn)（此處為 NavQPlus）。通過(guò)此接口發(fā)送和接收的 uORB 消息在文件中定義：src/modules/microdds_client/dds_topics.yaml. 根據(jù)應(yīng)用程序，應(yīng)該添加一些額外的 uORB 消息，比如能夠直接控制 Buggy，/fmu/in/manual_control_setpoint必須啟用消息，這可以通過(guò)在訂閱下添加此行來(lái)完成：

- topic: /fmu/in/manual_control_setpoint
  type: px4_msgs::msg::ManualControlSetpoint

PX4、FMUK66 端的設(shè)置完成后，我們可以繼續(xù)進(jìn)行外接計(jì)算機(jī)端的設(shè)置，這里是 NavQPlus。

在這里它就像遵循任何 uROS 教程一樣簡(jiǎn)單，就像可以在這里找到的官方教程一樣：https: //micro.ros.org/docs/tutorials/core/first_application_linux/也可以在這里找到https://github.com/ Jaeyoung-Lim/px4-offboard/blob/2d784532fd323505ac8a6e53bb70145600d367c4/doc/ROS2_PX4_Offboard_Tutorial.md，有關(guān) PX4 (SITL) 案例的更具體教程。本質(zhì)上，uROS 工具必須被克隆、構(gòu)建 (colcon)、創(chuàng)建代理、構(gòu)建和獲取它并最終將代理作為 ROS 2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。有了這個(gè)，PX4 消息現(xiàn)在可以作為 ROS 2 主題使用。要使用它們，請(qǐng)不要忘記將 ROS 2 的 PX4 消息定義克隆到您的 ROS 2 工作區(qū)，可在此處找到： https: //github.com/PX4/px4_msgs 。

我只能用 SITL 模擬測(cè)試這個(gè)接口，因?yàn)樵谖夷軌驅(qū)⑽业?MAVLink 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移到 ROS 2 之前，我通過(guò)錯(cuò)誤地將 USB 連接到串行適配器燒毀了我的 FMUK66 MCU：

USB 轉(zhuǎn) UART 適配器插入方向錯(cuò)誤。

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適配器 PCB 通常熱縮到 USB 到 UART 適配器，但我將其移除以便我可以恢復(fù) RX-TX 引腳。添加此節(jié)點(diǎn)是為了在執(zhí)行切換到 uROS（和 microDDS）連接時(shí)，它之后的所有節(jié)點(diǎn)都可以直接與 PX4 交互。

消息轉(zhuǎn)換

該節(jié)點(diǎn)采用 PX4 ROS 主題并將它們轉(zhuǎn)換為 ROS 2 標(biāo)準(zhǔn)消息等價(jià)物。在這種情況下，它獲取“Sensor GPS”、“Sensor Combined”和“Attitude”PX4 消息，并將它們轉(zhuǎn)換為“NatSatFix.msg”和“Imu.msg”消息，然后由 Pose Estimation 節(jié)點(diǎn)使用，由機(jī)器人本地化包。

里程計(jì)

該節(jié)點(diǎn)獲取“Wheel Encoder”PX4 消息并使用阿克曼里程計(jì)模型（靈感來(lái)自：https://medium.com/@waleedmansoor/how-i-built-ros-odometry-for-差動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輛無(wú)編碼器 c9f73fe63d87）。Ackermann 是 MR-Buggy3 使用的轉(zhuǎn)向類型，它給出了 Buggy 在給定轉(zhuǎn)向角和前進(jìn)速度下的位置變化。這也是使用開(kāi)發(fā)的車輪編碼器的地方，在沒(méi)有 GPS 的情況下獲得 Buggy 的位置估計(jì)。

現(xiàn)在，里程計(jì)節(jié)點(diǎn)僅將車輪編碼器信息用于前進(jìn)速度，并從發(fā)送到 Buggy 的轉(zhuǎn)向命令中獲取轉(zhuǎn)向角（根據(jù)“實(shí)驗(yàn)和結(jié)果”部分所示的測(cè)試適當(dāng)縮放）。未來(lái)，特別是當(dāng)Buggy的4個(gè)輪子都有編碼器時(shí)，編碼器的數(shù)值也可以用來(lái)計(jì)算Buggy的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。根據(jù)差動(dòng)齒輪引起的內(nèi)輪和外輪的速度差計(jì)算得出。它們還可以用于預(yù)測(cè)輪胎打滑并在里程計(jì)節(jié)點(diǎn)中為此校正位置估計(jì)。

速度控制器

顧名思義，速度控制器節(jié)點(diǎn)控制越野車的速度。它采用 Twist 消息主題，設(shè)置 Buggy 的目標(biāo)線速度和角速度，以及來(lái)自 Odometry 節(jié)點(diǎn)的 Odometry 消息主題作為反饋。對(duì)于前進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)了一個(gè) PID 控制器，它從 Twist 主題中獲取目標(biāo)前進(jìn)速度，并將其與當(dāng)前前進(jìn)速度進(jìn)行比較，從 Odometry 主題中計(jì)算，并計(jì)算傳遞給 Buggy 所需的手動(dòng)控制命令通過(guò)PX4到電機(jī)ESC。

該 PID 控制器是通過(guò)不接觸土壤的越野車、自由旋轉(zhuǎn)的輪子進(jìn)行調(diào)整的，可能需要針對(duì)田間以外的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。此外，由于速度控制器是在車輪不與土壤接觸的情況下開(kāi)發(fā)的，因此實(shí)際上只使用了一個(gè)車輪編碼器值（提供更高 RPM 的那個(gè)），這是因?yàn)檐囕喿杂尚D(zhuǎn)并且由于差動(dòng)齒輪, 一個(gè)輪子通常根本不旋轉(zhuǎn)或慢得多（這同樣適用于里程計(jì)節(jié)點(diǎn)）。

下圖顯示了當(dāng)設(shè)置（并移除）3 m/s 的目標(biāo)速度時(shí)，由 PID 回路控制的 Buggy（橙色）的前進(jìn)速度：

速度控制器 PID 回路輸出

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測(cè)量的 Buggy 速度中的大尖峰部分是由于編碼器分??辨率低，低速有問(wèn)題，部分是因?yàn)檫@幾乎是 Buggy 速度的下限，因此當(dāng) PID 回路將輸出降低到很多時(shí)，ESC 停止完全旋轉(zhuǎn)電機(jī)而不是更慢。但總而言之，它奏效了，至少在替補(bǔ)席上是這樣。

轉(zhuǎn)向控制沒(méi)有 PID 回路，它只是采用所需的角速度，并通過(guò)使用阿克曼模型，將它們轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向角，然后將其轉(zhuǎn)換為手動(dòng)控制命令。

位置控制器

顧名思義，位置控制器節(jié)點(diǎn)控制著越野車的位置。它采用 Stamped Pose 消息主題，設(shè)置 Buggy 的目標(biāo)位置（姿勢(shì)被忽略），以及來(lái)自 Odometry 節(jié)點(diǎn)的 Odometry 消息主題作為反饋。然后計(jì)算必要的線速度和角速度，這些速度作為 Twist 消息發(fā)布給速度控制器。

實(shí)施的位置控制器始終通過(guò)弧線從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置，其中 Buggy 的開(kāi)始和結(jié)束姿勢(shì)都與該弧線相切。這意味著線速度和角速度在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都是恒定的，除了線速度在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的斜坡上升和下降。參見(jiàn)下圖，作為位置控制器計(jì)算的軌跡示例，用于將 Buggy 從其起始姿勢(shì)移動(dòng)到目標(biāo)位置（僅使用目標(biāo)位置，姿勢(shì)/旋轉(zhuǎn)由位置控制器強(qiáng)制執(zhí)行）：

位置控制器沿著弧線計(jì)算軌跡。

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為了進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)設(shè)置目標(biāo)姿勢(shì)，通過(guò) RVIZ 給出了目標(biāo)位置。此外，在測(cè)試期間，使用的 Odometry 消息主題是由 Odometry 節(jié)點(diǎn)發(fā)布的消息，而不是由 Pose Estimation 節(jié)點(diǎn)發(fā)布的消息，因?yàn)楹笳卟荒芎芎玫嘏c Buggy stationary 一起使用，本應(yīng)如此。

可悲的是，由于燃燒了 FMUK66，并且沒(méi)有事先拍攝任何結(jié)果/照片，我沒(méi)有顯示位置控制器實(shí)際工作的結(jié)果......

姿勢(shì)估計(jì)（robot_localization 包）

為了更準(zhǔn)確地估計(jì)越野車的位置，里程計(jì)信息應(yīng)與 IMU 和 GPS 信息融合。這就是這個(gè)節(jié)點(diǎn)所做的。Pose Estimation 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行兩個(gè) EKF 過(guò)濾器實(shí)例，一個(gè)用于將里程計(jì)數(shù)據(jù)與 IMU 數(shù)據(jù)融合并將它們發(fā)布為局部里程計(jì)主題，另一個(gè)將其與 GPS 數(shù)據(jù)融合并將它們發(fā)布為全局 Odomtry 主題。這些節(jié)點(diǎn)來(lái)自 robot_localization 包，我按照包文檔中提供的說(shuō)明和設(shè)置進(jìn)行操作：http://docs.ros.org/en/melodic/api/robot_localization/html/index.html

重要的是我還沒(méi)有調(diào)整任何參數(shù)，特別是必須修改協(xié)方差矩陣以反映 Buggy 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便從這些節(jié)點(diǎn)獲得準(zhǔn)確的位置估計(jì)。

鍵盤控制器

該節(jié)點(diǎn)用于測(cè)試，它發(fā)布速度控制器使用的 Twist 消息。獲取鍵盤輸入并將其轉(zhuǎn)換為 Twist 消息的線速度和角速度。

所有這些節(jié)點(diǎn)都可以在我的 GitHub 上找到，可以克隆并用作 ROS 2 包： https: //github.com/NotBlackMagic/MR-Buggy3-Offboard

數(shù)據(jù)采集

如本節(jié)開(kāi)頭所述，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將傳感器移動(dòng)到土壤執(zhí)行器的位置，從傳感器收集數(shù)據(jù)，遍及采集板，并將它們發(fā)布到采集服務(wù)器（集線器）（大部分已實(shí)現(xiàn)）。數(shù)據(jù)采集??節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)串行連接，一個(gè)連接到執(zhí)行器控制器板，一個(gè)連接到采集板。這意味著我必須使用 NavQPlus 的兩個(gè) UART 接口，總共有 4 個(gè)可用。現(xiàn)在實(shí)際上并沒(méi)有 4 個(gè)易于訪問(wèn)的 UART 接口可用，有些是隱藏的，有些是已經(jīng)使用的：

• UART1（“/dev/ttymxc0”）：這個(gè)位于用于藍(lán)牙模塊的特殊接頭上，不易訪問(wèn)。
• UART2（“/dev/ttymxc1”）：這個(gè)在 JST-GH 接頭上很容易訪問(wèn)，但用于串行終端。要使用它，必須先使用以下命令停止該服務(wù)systemctl stop serial-getty@ttymxc1 .service，然后我們必須允許自己使用命令實(shí)際使用它。sudo chmod 666 ttymxc1.這是用于連接執(zhí)行器控制器板的那個(gè)。
• UART3（“/dev/ttymxc2”）：這個(gè)在 JST-GH 標(biāo)頭上很容易訪問(wèn)并且可以免費(fèi)使用。不需要額外的配置或命令。這是用于連接采集板的那個(gè)。
• UART4（“/dev/ttymxc3”）：在 JST-GH 接頭上也很容易訪問(wèn)，但默認(rèn)情況下它連接到 Cortex-M7，并且不容易用于 Cortex-A53 內(nèi)核以及 Linux。請(qǐng)參閱：https://community.nxp.com/t5/i-MX-Processors/IMX8-mini-UART4/td-p/935322

通過(guò)這些接口交換非常簡(jiǎn)單的 ASCII 命令和數(shù)據(jù)。對(duì)于空氣傳感器采集，本節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求命令，“A;”，然后采集集線器對(duì)BME688進(jìn)行采樣并返回一個(gè)數(shù)據(jù)字符串，例如“T: 25.65, H: 49.45, P: 1015.65, R: 80526.12 ”。要對(duì)土壤進(jìn)行采樣，還需要執(zhí)行幾個(gè)步驟，首先將歸位命令發(fā)送到執(zhí)行器“H;”，然后該節(jié)點(diǎn)將等待直到通過(guò)輪詢執(zhí)行器“I;”完成移動(dòng)。之后，它發(fā)送向下移動(dòng)命令“D50；”，將執(zhí)行器向下移動(dòng) 50 毫米，土壤傳感器隨之進(jìn)入土壤。節(jié)點(diǎn)再次通過(guò)輪詢執(zhí)行器等待完成。當(dāng)?shù)竭_(dá)該位置時(shí)，該節(jié)點(diǎn)向采集中心“S;”請(qǐng)求數(shù)據(jù)，然后對(duì)土壤傳感器進(jìn)行采樣并返回采樣和處理后的數(shù)據(jù)。最后，該節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器發(fā)送另一個(gè)歸位命令，將土壤傳感器移回其靜止位置。然后將所有收集到的數(shù)據(jù)與 Buggy 的當(dāng)前位置打包在一起，來(lái)自 Odometry 消息主題，并通過(guò) UDP 發(fā)送到服務(wù)器。

它的代碼可以在這里找到：https://github.com/NotBlackMagic/AutoSQA-Acquistion

圖像處理

如“第 1 部分：機(jī)器人平臺(tái) (MR-Buggy3) ”部分所示，NavQPlus 的重大改進(jìn)/補(bǔ)充之一是第二個(gè) ISP，相機(jī)接口，允許實(shí)施立體相機(jī)設(shè)置，用于深度感知。在同一部分中，我還展示了基于兩個(gè) Google Coral 相機(jī)創(chuàng)建的立體相機(jī)設(shè)置，它們之間的距離為 70 毫米。理想情況下，立體相機(jī)對(duì)應(yīng)該是具有全局快門和固定焦距的低分辨率黑白相機(jī)（例如來(lái)自 ArduCam RPI 全局快門相機(jī)的 OV7251 或來(lái)自新的 RPI 全局快門相機(jī)模塊的 IMX296），但 Google Coral 相機(jī)在這個(gè)階段。

用于連接相機(jī)的軟件是 Python 中的 OpenCV。開(kāi)發(fā)的第一個(gè)測(cè)試代碼是從立體相機(jī)創(chuàng)建 3D 立體紅青色圖片。為此遵循的代碼和教程是： https: //learnopencv.com/making-a-low-cost-stereo-camera-using-opencv/

看下面MR-Buggy3的3D Anaglyph圖片，3D效果不是最好的，需要相當(dāng)多的調(diào)整才能將兩個(gè)幀彼此靠近以改善效果。

生成立體 3D 圖片的立體相機(jī)。

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使用立體攝像頭設(shè)置的真正目的是在 Buggy 上獲得深度感知，并進(jìn)行障礙物檢測(cè)和避開(kāi)。由于時(shí)間限制，我只能開(kāi)始這部分，啟動(dòng)并運(yùn)行基本軟件，并嘗試使用相機(jī)分辨率（參見(jiàn)“實(shí)驗(yàn)和結(jié)果”部分）和視差參數(shù)校準(zhǔn)。同樣，使用的教程和代碼來(lái)自此處：https://learnopencv.com/depth-perception-using-stereo-camera-python-c/

請(qǐng)參見(jiàn)下方視差校準(zhǔn) GUI 的示例屏幕截圖，底部顯示視差，右側(cè)顯示原始左右攝像頭圖像，右側(cè)控制臺(tái)顯示幀時(shí)序和幀速率（使用 320x240 分辨率） .

立體相機(jī)視差標(biāo)定、深度感知標(biāo)定。

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我必須在這里補(bǔ)充一點(diǎn)，這是我第一次接觸 OpenCV，在 NavQPlus 和兩個(gè) Coral 相機(jī)上使用 OpenCV 和 python 的幾乎完美的工作流程使它成為一個(gè)很棒的體驗(yàn)，并將繼續(xù)探索這條道路！我還必須對(duì)https://learnopencv.com網(wǎng)站的作者大聲疾呼，指南和代碼示例非常棒！

雖然所有使用的代碼大部分只是來(lái)自https://learnopencv.com ( https://github.com/spmallick/learnopencv )的代碼，我還是把它添加到我的 GitHub 上，這樣它就可以即插即用了NavQPlus： https: //github.com/NotBlackMagic/NavQPlus-OpenCV

第 4 部分：圖形用戶界面

為了在更高層次上控制 Buggy、計(jì)劃任務(wù)和監(jiān)控采樣傳感器數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè) GUI 界面。開(kāi)發(fā)的GUI界面使用Unity游戲引擎。這個(gè) Unity 項(xiàng)目有兩個(gè)主要任務(wù)，即根據(jù)使用的輸入生成任務(wù)計(jì)劃、生成路徑和樣本位置以及以簡(jiǎn)單的方式向用戶顯示樣本數(shù)據(jù)。現(xiàn)在只有部分實(shí)現(xiàn)了。

從顯示采樣傳感器數(shù)據(jù)開(kāi)始，Unity 項(xiàng)目托管一個(gè) UDP 服務(wù)器，Buggy 可以向其發(fā)布傳感器數(shù)據(jù)消息。傳感器數(shù)據(jù)消息包含采樣傳感器值以及采樣位置。然后在 Unity 項(xiàng)目中使用它來(lái)生成顯示傳感器值的彩色熱圖的紋理。傳感器值按可配置的半徑擴(kuò)展。這可以在下圖中看到，其中顯示了采樣的氣溫?cái)?shù)據(jù)（覆蓋有地形的自上而下圖像）：

傳感器數(shù)據(jù)表示示例。

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該系統(tǒng)不僅限于從 Buggy 接收數(shù)據(jù)，事實(shí)上，許多不同的傳感器站，無(wú)論是移動(dòng)的還是固定的，都可以發(fā)送帶有位置的傳感器數(shù)據(jù)，所有這些都可以在 Unity 中合并到一個(gè)簡(jiǎn)單的熱圖表示中。

這個(gè) Unity 項(xiàng)目的第二個(gè)任務(wù)是在高層控制 Buggy。我們的想法是，我們可以通過(guò)遙測(cè) MAVLink 連接武裝 Buggy，然后 Buggy 將從 Unity 服務(wù)器請(qǐng)求執(zhí)行任務(wù)。只實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，MAVLink 連接正常，可以從 Unity 項(xiàng)目武裝 Buggy（它還將 Buggy 設(shè)置為手動(dòng)控制模式，這是運(yùn)動(dòng)部分所必需的）。

關(guān)于通過(guò) MAVLink 設(shè)置飛行模式的旁注，我在官方文檔中找不到任何關(guān)于在“command_long”MAVLink 命令中使用哪些參數(shù)、值來(lái)切換到特定模式的信息……幸運(yùn)的是有人在社區(qū)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，從我的測(cè)試來(lái)看它們似乎是正確的：https://discuss.px4.io/t/mav-cmd-do-set-mode-all-possible-modes/8495

還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊和拖放路徑創(chuàng)建，以及路徑平滑：將尖角轉(zhuǎn)換為圓弧，可以由 Buggy 實(shí)際執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)，以及位置控制器的工作方式。如下圖所示（藍(lán)色為原始路徑，來(lái)自點(diǎn)擊和放置，紅色為帶圓弧的平滑路徑，完整的圓圈顯示為調(diào)試步驟）：

路徑平滑示例。

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遺憾的是，這就是實(shí)現(xiàn)的功能停止的地方，沒(méi)有從繪制的路徑創(chuàng)建任務(wù)，也沒(méi)有將路徑傳輸?shù)?Buggy（還），這也將通過(guò) UDP 連接完成（存根代碼已經(jīng)存在）。

Unity 項(xiàng)目可在我的 GitHub 上找到： https: //github.com/NotBlackMagic/AutoSQA-Hub

實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

本節(jié)包含一些、記錄的、為該項(xiàng)目所做的實(shí)驗(yàn)以及獲得的結(jié)果。

越野車測(cè)試

為了正確實(shí)施運(yùn)動(dòng)軟件來(lái)控制 Buggy，我必須首先做一些實(shí)驗(yàn)來(lái)收集 Buggy 的基本駕駛特性：PX4 手動(dòng)控制命令值到真實(shí)世界的駕駛。為此進(jìn)行了兩項(xiàng)測(cè)試，首先是為了獲得前向推力手動(dòng)控制命令與實(shí)際越野車速度之間的關(guān)系。Buggy 速度是在輪子懸空的長(zhǎng)凳上獲得的，并使用了開(kāi)發(fā)的車輪編碼器。結(jié)果如下圖所示：

手動(dòng)控制推力與 MR-Buggy3 的前進(jìn)速度。

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因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果是在車輪自由旋轉(zhuǎn)時(shí)獲得的，所以現(xiàn)實(shí)世界的速度會(huì)更低，應(yīng)該在未來(lái)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行修正。此外，通過(guò)減少電機(jī)傳動(dòng)裝置獲得的結(jié)果，因此開(kāi)箱即用的 MR-Buggy3 將具有更高的速度。最后，使用的PX4固件為V1.14 Beta，增加了倒車功能。

接下來(lái)的測(cè)試是獲取轉(zhuǎn)向手動(dòng)控制指令與實(shí)際轉(zhuǎn)向角之間的關(guān)系。用于測(cè)量轉(zhuǎn)向角的設(shè)置如下圖所示：

轉(zhuǎn)向角校準(zhǔn)設(shè)置。

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可以看出，一根棍子綁在輪子上，測(cè)量了與靜止的距離。通過(guò)一些基本的三角函數(shù)，我們可以得到實(shí)際的轉(zhuǎn)向角，如下圖所示：

手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向與 MR-Buggy3 的轉(zhuǎn)向角。

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此結(jié)果適用于開(kāi)箱即用的 MR-Buggy3，因?yàn)槲磳?duì)轉(zhuǎn)向硬件或參數(shù)進(jìn)行任何更改。然后將獲得的關(guān)系用于里程計(jì)和速度控制器 ROS 2 節(jié)點(diǎn)中的阿克曼計(jì)算。

采集和傳感器測(cè)試

如前所述，在“第 2 部分：傳感器平臺(tái)”一節(jié)中，我購(gòu)買了幾個(gè)（4 個(gè)）不同的土壤傳感器。然后我和我的女朋友一起測(cè)試了它們，因?yàn)樗矚g植物和園藝，所以很高興能測(cè)試一些土壤傳感器。我們?cè)O(shè)置了兩種不同的測(cè)試，一種用于評(píng)估傳感器輸出與土壤濕度的關(guān)系，另一種用于查看傳感器對(duì) pH 值的免疫力。

第一個(gè)測(cè)試，土壤濕度，我們使用便宜的盆栽土壤混合物，并用相同數(shù)量的土壤填充 5 個(gè)盆。然后將一個(gè)晾干以獲得干重，同時(shí)添加另外 4 種不同量的水（一種不加水）。然后，這給了我們 5 種不同且已知的水與土壤混合物。然后使用每個(gè)土壤傳感器對(duì)土壤進(jìn)行采樣，并為每個(gè)盆使用每個(gè)傳感器采樣 5 個(gè)點(diǎn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均。下圖顯示了獲得的結(jié)果（請(qǐng)參閱“第 2 部分：傳感器平臺(tái)”部分以了解所使用的傳感器）：

土壤傳感器與土壤濕度水平。

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我們可以看到使用電容式傳感器獲得的最佳結(jié)果，這也是預(yù)期的，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為它對(duì)土壤礦化等其他變量的依賴性較低，然后是其他測(cè)試傳感器。

使用土壤傳感器進(jìn)行的第二項(xiàng)測(cè)試是評(píng)估與 pH 水平的依賴性，并測(cè)試三合一土壤傳感器的 pH 傳感器。這是使用 2 種不同的瓶裝水完成的，具有不同的 pH 值，一種堿性和一種酸性，以及中性樣品（蒸餾水）。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下圖所示：

土壤傳感器與 pH 值。

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我們可以看到只有三合一土壤傳感器對(duì) pH 水平具有單調(diào)響應(yīng)，但遺憾的是對(duì)于測(cè)量輸出、濕度和 pH 值。所有其他傳感器給出了非常不同的值，特別是蒸餾水。我的猜測(cè)是，這是由于不同的礦化作用而不是 pH 值，因?yàn)樗褂玫钠垦b水之間存在差異，并且礦化度高于蒸餾水（應(yīng)該接近 0）。應(yīng)進(jìn)行另一項(xiàng)測(cè)試，其中只有礦化發(fā)生變化，同時(shí)保持 pH 值接近中性。

最后，對(duì)致動(dòng)器力傳感器進(jìn)行了測(cè)試/校準(zhǔn)。這是通過(guò)放置在土壤傳感器探頭下方的秤來(lái)完成的，土壤傳感器探頭由土壤執(zhí)行器固定，然后在頂部添加不同的重量并記錄秤輸出和力傳感器輸出。有關(guān)所使用的設(shè)置，請(qǐng)參見(jiàn)下圖：

土壤執(zhí)行器力傳感器校準(zhǔn)。

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該測(cè)試的結(jié)果如下圖所示。假設(shè)土壤探針的圓形橫截面是扁平的，則計(jì)算壓力。

力傳感器輸出與施加的力。

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OpenCV 深度測(cè)試

我用深度感測(cè)軟件、視差校準(zhǔn)、不同的分辨率做了一些測(cè)試，并記錄了用它們實(shí)現(xiàn)的幀時(shí)間和幀速率：

深度映射分辨率與幀時(shí)間。

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Bellow 也是其中 3 種分辨率生成的視差圖的比較。場(chǎng)景與“圖像處理”部分中所示的場(chǎng)景相同，帶有立體 3D 圖片。差異部分是由于使用的分辨率不同，但也由于每個(gè)使用的參數(shù)不同。

不同分辨率的視差圖。

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未來(lái)的工作

從這個(gè)項(xiàng)目的整個(gè)過(guò)程中可以看出，有很多未完成的部分。對(duì)于未來(lái)的工作，我將主要集中在改進(jìn)開(kāi)發(fā)的 Wheel Encoder，添加 CAN 接口并支持 Buggy 的所有 4 輪。以及運(yùn)動(dòng)部分，并致力于將其部分移動(dòng)到 PX4 自動(dòng)駕駛儀固件中（已經(jīng)在 Twitter 上就此進(jìn)行了一些聯(lián)系和合作興趣）。我還將使用 OpenCV 在 NavQPlus 上繼續(xù)探索立體相機(jī)設(shè)置。我仍然想開(kāi)發(fā)基于 EM 的土壤傳感器，但會(huì)看到。

貢獻(xiàn)和社區(qū)參與

我對(duì) NXP GitBooks 做了兩個(gè)小貢獻(xiàn)。首先是 MR-Buggy3 構(gòu)建指南。添加了有關(guān)使用帶有 T 型電源連接器的 ESC 時(shí)安裝沖突的部分（PR： https: //github.com/NXPHoverGames/GitBook-NXPCup/pull/2）。其次是 NavQPlus GitBook，添加了有關(guān)在 NavQ GitBook 中通過(guò)以太網(wǎng)使用 MAVLink 的章節(jié)，并進(jìn)行了更改以反映使用的 Ubuntu 22.04 圖像（PR：https: //github.com/NXPHoverGames/GitBook-NavQPlus/pull/7）。

我也在努力將 Wheel Encoder 更好地集成到 PX4 固件中，目前我還沒(méi)有做任何 PR，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序非常簡(jiǎn)單和早期，我想先把它刷出來(lái)并更好地測(cè)試。

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