基于树莓派控制的无人机巡航系统设计与实现文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

本毕业设计目标是实现以树莓派为核心的无人机巡航控制系统，主要面临两个挑战：地面站软件的实现及地面站与无人机间的信息传递，下面对相关研究现状进行分析和总结。

1. 无人机巡航系统的发展

近几年来，无人机巡航系统得到了快速的发展。2012 年大疆发布全球首款三轴无刷无人机Z15-5N，利用姿态解析和超高精度无刷电动机控制革命性解决了无人直升机抖动及水波纹问题，开启了多旋翼无人机的新时代，无人机开始进入大众视野。2016年大疆研发出具有智能视觉的多旋翼无人机Phantom4[2]，具有障碍感知和自主避障功能，降低了无人机巡航系统的入门门槛，一直以来，大疆以先进独特的技术领跑无人机市场，但大疆对核心技术持谨慎态度，至今只对外界开放其系统的部分简单API，导致其产品在面对更为复杂的应用环境时难以胜任。位于北美的3D Robotics公司成立于2009年，其创始人克里斯·安德森被称为“吹响商业变革号角的预言家”，由克里斯·安德森创建的无人机开源交流社区Diy Drone注册用户已超过20万。3D Robotics公司在 2013 年开放了无人机控制软件Dronekit[3]的源码，Dronekit是一款地面站软件，使得使用者无需了解无人机飞控板层面的过多细节及无人机的通信协议，即可编写代码控制无人机，极大地降低了入门门槛，基于其开发的无人机巡航飞控系统在各类项目中也得到了广泛应用。

为充分发挥无人机的优点而规避其不足，多无人机协同执行任务成为无人机巡航技术发展的重要趋势之一[4]。无人机集群技术概念的提出及发展，有效解决了单个无人机作业时载荷相对较小，信息感知处理能力相对较弱的不足。无人机集群不但能通过单机间的密切协作，有效提升载荷能力和信息处理能力，并且无人机集群具有很高的“自愈”能力和很强的鲁棒性[5]，在将来的各种应用中有很大的发挥空间。

不论是民用领域还是军事领域，无人机巡航系统都已得到了广泛关注，幸航等人[6]研究提出利用多无人机巡航系统代替传统的长江航道巡航方式，不仅节约了成本与巡航时间，同时利用无人机灵活拓展性强的优势取得了更加详细的巡航结果。在军事领域，许云飞等人[7]针对现代战场局势复杂的形势，结合了发现即摧毁的作战理念，提出了侦察打击一体化无人机巡航系统，它集侦察、攻击功能于同一平台之上，利用高性能侦察监视设备搜索、发现、锁定目标，利用平台携带的精确制导弹药对已经发现的目标实施火力打击，极大地缩短了从发现到摧毁目标的时间。

无人机巡航系统也已经广泛用于科研项目之中。有一部分学者利用无人机当做数据传输的移动中继节点，从而提高数据传输的准确性。Yunfei Ma[8]等人针对RFID传输距离较短且大规模仓库信息扫描较为困难等现状，通过利用无人机携带消除自干扰的中继设备，并优化无人机的巡航轨迹，从而将RFID传输范围由10m扩展到50m，并且大大提高了传输准确率。无人机自己的灵活性和能够便捷的按照预定的飞行轨迹完成飞行任务的特点，使得基于无人机巡航的数据采集引起了越来越多研究工作者的关注。无人机相对传统研究来说主要优势在于既提高了无线传感网络的生命周期，同时无人机价格低廉成本较低，可以进行大规模部署应用。Kai Li等人[9]针对偏远地区无线传感设备信息传输丢包严重等问题，提出一种利用多无人机循环移动充当信息中继的框架以提高传输正确率，经过实验发现次优解提高了15%的传输准确率并将网络寿命延长了33%。Jeong S等人[10]针对降低终端能耗问题，对终端设备提出了一种新的信息发送的框架，并通过信号强化优化无人机巡航轨迹，通过对正交接入及非正交接入两种情况进行实验发现，终端能耗降低约30%。Mozaffari M等人[11]提出了一种提出了一种适用于多无人机的新的框架，通过聚类的方法将不同区域的传感器分配给无人机，并针对无人机与无线传感设备之间建立LoS连接或NLoS连接两种不同情况，分别提出了优化策略优化无人机的3D巡航轨迹，有效地降低了无人机能耗。这些研究工作的具体实现都离不开一个稳定可靠便于使用的无人机巡航系统，在越来越多的领域，相关的巡航路径算法研究日趋成熟，使用无人机巡航系统取代传统解决方式已成为未来的发展方向。

1. 树莓派与无人机的结合应用

树莓派（“Raspberry Pi”）是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，运行linux系统，具备所有PC的基本功能[12]。与常见的51单片机和STM32等这类的嵌入式微控制器相比，树莓派不仅可以完成相同的IO引脚控制之外，还能运行相应的操作系统，可以完成更复杂的任务管理与调度，能够支持更上层应用的开发，为了开发者提供了更广阔的应用空间；与一般的计算机平台相比，树莓派可以提供的IO引脚，能够直接控制其他底层硬件的功能，这是一般PC计算机做不到的。

树莓派体积重量都远小于与传统电脑，处于无人机的载荷之内，同时又有相应的IO引脚能够实现与无人机的硬件连接，因此可将其搭载于无人机之上以拓展无人机的功能与用途。例如张玄等人[13]就研究提出利用四轴无人机的稳定性和负载能力，搭载树莓派核心处理器，借助OpenCV库进行图像处理，以摄像头作为实时数据采集模块，以无线串口的信息交换方式进行实时数据的监测，以SMTP协议发送邮件作为数据回传，为地面人员提供及时、准确的环境监测信息。此外廖晨阳等人[14]研究提出利用无人机搭载训练好深度学习模型的树莓派，通过摄像头智能识别出有病虫害农作物的区域，并控制无人机悬停及喷洒农药，大大降低了人力与物力成本。

树莓派与无人机的结合为传统问题的解决提供了全新的思路，无人机为树莓派提供了移动平台与所需要的信息，树莓派拓展了无人机的功能和用途，起到了相互促进的效果。

1. 研究现状总结

综上所述，目前国内外对无人机的巡航系统设计已经取得了一定的研究成果，但是出于商业利益或者安全性问题考虑大部分的系统代码并不开源，研究人员在进行实际的科研项目时只能利用其它公司给定的API来实现有限的功能，可能使无人机的价值在项目中无法得到完全实现。树莓派与无人机的结合使用也大多聚焦于特定的用途，缺少一个通用的应用平台。

利用树莓派作为无人机飞控核心，可以做到在降低成本的同时保持系统的稳定性、可拓展性、灵活性等，同时由于获取较为简单便于实现无人机集群，以此为基础开发无人机巡航控制系统具有可行性。