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【实时Linux实战系列】采用实时Linux构建无人机控制系统

news 2025/9/8 5:46:26

无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）在现代科技中扮演着越来越重要的角色，广泛应用于航拍、物流、农业监测、搜索救援等多个领域。一个高效且可靠的无人机控制系统是实现这些应用的关键。实时Linux操作系统因其低延迟和高可靠性，成为无人机控制系统开发的理想选择。掌握在实时Linux环境下开发无人机控制系统的技能，对于开发者在无人机技术、嵌入式系统和自动化控制等领域具有重要的价值。

项目背景与重要性

无人机控制系统需要实时处理来自多个传感器的数据，如陀螺仪、加速度计、气压计、GPS等，并根据这些数据做出快速决策，以保持飞行的稳定性和安全性。实时Linux操作系统能够确保这些任务在严格的时间约束内完成，从而提高无人机的性能和可靠性。此外，实时Linux还提供了强大的开发工具和丰富的库支持，使得开发者能够更高效地实现复杂的飞行控制策略。

实际应用场景

航拍：通过实时控制和稳定飞行，获取高质量的空中图像和视频。
物流配送：实现自动化飞行，提高物流效率。
农业监测：实时监测农作物生长情况，提高农业生产力。
搜索救援：在复杂环境中快速定位和救援，提高救援效率。

核心概念

实时任务的特性

实时任务是指在严格的时间约束内必须完成的任务。在无人机控制系统中，传感器数据的采集、处理和飞行控制指令的生成都需要在几毫秒到几秒内完成，以确保无人机的飞行稳定性和安全性。

使用的工具

Linux操作系统：如Ubuntu或Raspbian，用于开发和部署。
编程语言：C语言或Python，用于编写传感器驱动和飞行控制程序。
开发板：如树莓派或NVIDIA Jetson Nano，用于硬件接口和控制。
传感器：陀螺仪、加速度计、气压计、GPS模块等。
飞行控制器：如Pixhawk或NVIDIA Jetson Nano。

环境准备

软硬件环境

操作系统：Ubuntu 20.04 LTS
开发工具：Visual Studio Code 或 Eclipse
开发板：树莓派4B 或 NVIDIA Jetson Nano
传感器：MPU6050陀螺仪和加速度计、BMP280气压计、GPS模块
其他硬件：面包板、连接线、电阻等

环境安装与配置

安装Ubuntu 20.04 LTS
- 下载Ubuntu 20.04 LTS ISO文件：Ubuntu 20.04 LTS
- 使用Rufus工具制作启动U盘。
- 启动计算机，从U盘启动并安装Ubuntu。

安装Visual Studio Code

打开终端，运行以下命令：

sudo apt update
sudo apt install software-properties-common apt-transport-https wget
wget -q https://packages.microsoft.com/keys/microsoft.asc -O- | sudo apt-key add -
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] https://packages.microsoft.com/repos/vscode stable main"
sudo apt update
sudo apt install code

配置树莓派
- 下载Raspberry Pi OS：Raspberry Pi OS
- 使用Raspberry Pi Imager工具将OS写入SD卡。
- 将SD卡插入树莓派，启动并完成初始配置。
安装树莓派的开发工具
- 在树莓派上打开终端，运行以下命令：
- ```
sudo apt update
sudo apt install build-essential python3-pip
```

安装MPU6050传感器库

在树莓派上运行以下命令：

sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-smbus
sudo pip3 install mpu6050-raspberrypi

安装BMP280传感器库

在树莓派上运行以下命令：

sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-smbus
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-bmp280

安装GPS模块库

在树莓派上运行以下命令：

sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-pip
sudo pip3 install pynmea2

实际案例与步骤

传感器数据采集

MPU6050陀螺仪和加速度计

连接MPU6050传感器
- 将MPU6050的VCC引脚连接到树莓派的3.3V引脚。
- 将MPU6050的GND引脚连接到树莓派的GND引脚。
- 将MPU6050的SDA引脚连接到树莓派的GPIO2引脚。
- 将MPU6050的SCL引脚连接到树莓派的GPIO3引脚。

编写数据采集代码

创建一个Python脚本mpu6050.py：

from mpu6050 import mpu6050
import time# 初始化MPU6050传感器
sensor = mpu6050(0x68)while True:# 读取加速度和陀螺仪数据accel_data = sensor.get_accel_data()gyro_data = sensor.get_gyro_data()print(f"加速度: X={accel_data['x']:.2f}, Y={accel_data['y']:.2f}, Z={accel_data['z']:.2f}")print(f"陀螺仪: X={gyro_data['x']:.2f}, Y={gyro_data['y']:.2f}, Z={gyro_data['z']:.2f}")time.sleep(1)

运行脚本
- 在终端中运行以下命令：
- ```
python3 mpu6050.py
```

BMP280气压计

连接BMP280传感器
- 将BMP280的VCC引脚连接到树莓派的3.3V引脚。
- 将BMP280的GND引脚连接到树莓派的GND引脚。
- 将BMP280的SDA引脚连接到树莓派的GPIO2引脚。
- 将BMP280的SCL引脚连接到树莓派的GPIO3引脚。

编写数据采集代码

创建一个Python脚本bmp280.py：

import board
import busio
import adafruit_bmp280
import time# 创建I2C总线
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)# 创建BMP280对象
bmp280 = adafruit_bmp280.Adafruit_BMP280_I2C(i2c)while True:# 读取气压和温度数据temperature = bmp280.temperaturepressure = bmp280.pressureprint(f"温度: {temperature:.2f}°C, 气压: {pressure:.2f}hPa")time.sleep(1)

运行脚本
- 在终端中运行以下命令：
- ```
python3 bmp280.py
```

GPS模块

连接GPS模块
- 将GPS模块的VCC引脚连接到树莓派的5V引脚。
- 将GPS模块的GND引脚连接到树莓派的GND引脚。
- 将GPS模块的TX引脚连接到树莓派的GPIO14（UART TX）引脚。
- 将GPS模块的RX引脚连接到树莓派的GPIO15（UART RX）引脚。
配置UART接口
- 在树莓派上运行以下命令：
- ```
sudo raspi-config
```
  选择`Interfacing Options->Serial->Enable`。

编写数据采集代码

创建一个Python脚本gps.py：

import serial
import pynmea2
import time# 配置串口
port = "/dev/ttyAMA0"
baudrate = 9600# 打开串口
ser = serial.Serial(port, baudrate=baudrate, timeout=1)while True:# 读取GPS数据line = ser.readline().decode('utf-8')if line.startswith('$GPGGA'):msg = pynmea2.parse(line)print(f"时间: {msg.timestamp}, 纬度: {msg.latitude}, 经度: {msg.longitude}")time.sleep(1)

运行脚本
- 在终端中运行以下命令：
- ```
python3 gps.py
```

飞行控制策略

实现基本的飞行控制

安装PX4 Firmware

下载PX4 Firmware源码：

git clone https://github.com/PX4/Firmware.git
cd Firmware

安装依赖
- 在Ubuntu上运行以下命令：
- ```
./Tools/setup/ubuntu.sh
```
编译PX4 Firmware
- 在终端中运行以下命令：
- ```
make px4_sitl_default
```
启动PX4 SITL
- 在终端中运行以下命令：
- ```
make px4_sitl_default gazebo
```

编写飞行控制代码

创建一个Python脚本flight_control.py：

import rospy
from geometry_msgs.msg import PoseStamped
from mavros_msgs.msg import State
from mavros_msgs.srv import SetMode, SetModeRequest, SetModeResponse
from mavros_msgs.srv import CommandBool, CommandBoolRequest, CommandBoolResponseclass FlightController:def __init__(self):self.current_state = State()self.pose = PoseStamped()# 初始化ROS节点rospy.init_node('flight_controller', anonymous=True)# 订阅当前状态rospy.Subscriber('/mavros/state', State, self.state_callback)# 发布目标位置self.pose_pub = rospy.Publisher('/mavros/setpoint_position/local', PoseStamped, queue_size=10)# 设置模式服务self.set_mode_client = rospy.ServiceProxy('/mavros/set_mode', SetMode)# 设置武装服务self.arm_client = rospy.ServiceProxy('/mavros/cmd/arming', CommandBool)def state_callback(self, state):self.current_state = statedef set_mode(self, mode):offb_set_mode = SetModeRequest()offb_set_mode.custom_mode = modetry:response = self.set_mode_client(offb_set_mode)return response.mode_sentexcept rospy.ServiceException as e:print(f"Service call failed: {e}")return Falsedef arm(self):arm_cmd = CommandBoolRequest()arm_cmd.value = Truetry:response = self.arm_client(arm_cmd)return response.successexcept rospy.ServiceException as e:print(f"Service call failed: {e}")return Falsedef set_pose(self, x, y, z):self.pose.pose.position.x = xself.pose.pose.position.y = yself.pose.pose.position.z = zself.pose_pub.publish(self.pose)def run(self):rate = rospy.Rate(20.0)while not rospy.is_shutdown():if not self.current_state.armed:self.arm()if self.current_state.mode != "OFFBOARD":self.set_mode("OFFBOARD")self.set_pose(0, 0, 10)rate.sleep()if __name__ == '__main__':try:controller = FlightController()controller.run()except rospy.ROSInterruptException:pass