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元器件

描述

CrazyFlie 避障傳感器甲板

Crazyflie是一款輕型微型飛行器；或者簡(jiǎn)單來說，來自一家名為Bitcraze的公司的迷你無人機(jī)。該無人機(jī)平臺(tái)廣泛用于微型無人機(jī)和群機(jī)器人的機(jī)器人研究社區(qū)。它是一個(gè)開源平臺(tái)，硬件和固件資源都可以在 GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)中免費(fèi)在線獲得，用戶有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)“甲板”，這是一個(gè)位于主要無人機(jī)平臺(tái) PCB 頂部的可插拔擴(kuò)展板。

這是關(guān)于什么的？

這種硬件設(shè)計(jì)是這樣一個(gè)定制甲板的 PCB，其尺寸與 CrazyFlie 2.x 無人機(jī)相匹配。它包括用于飛行時(shí)間傳感器的主甲板 PCB 和 PCB。該平臺(tái)可用于檢測(cè) CrazyFlie 無人機(jī)周圍的障礙物并幫助導(dǎo)航更輕松，而無需依賴無人機(jī)的視線。

CrazyFlie 使用小型鋰離子電池運(yùn)行，最大飛行時(shí)間為 7 分鐘，有效載荷最小。它使用的功率越大或越重，飛行時(shí)間就越短。但是，庫(kù)存無人機(jī)平臺(tái)周圍沒有任何障礙物感應(yīng)能力。如果要飛行，飛行員需要與無人機(jī)有清晰的視線。否則無人機(jī)可能會(huì)撞到墻壁或障礙物。

如果有人插入一個(gè)小型相機(jī)來捕捉導(dǎo)航視圖，電池會(huì)消耗得更快，無人機(jī)將無法再飛行。一個(gè)人如何導(dǎo)航這架微型無人機(jī)，而不必經(jīng)常看到它？

我手頭有這個(gè)研究問題來設(shè)計(jì)一種可以在倒塌的建筑物內(nèi)自行導(dǎo)航的微型飛行器。顯然，出于安全原因，人類控制器/飛行員幾乎不會(huì)一直與無人機(jī)有清晰的視線。為了延長(zhǎng)飛行時(shí)間，相機(jī)甚至不是一種選擇。唯一可行的替代方案是在無人機(jī)頂部構(gòu)建一種小型光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR），它重量輕且不消耗太多能量。這個(gè) LiDAR 實(shí)施將幫助我們生成周圍環(huán)境的地圖。但是我們找不到這樣的設(shè)備來滿足市場(chǎng)的要求。

幸運(yùn)的是，CrazyFlie 支持自定義套牌，我們可以自己制作。這正是我們所做的。我們不得不進(jìn)一步升級(jí)庫(kù)存固件以支持這個(gè)新的避障甲板。最后，這項(xiàng)工作發(fā)表在澳大利亞機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議（ACRA 2020）上。

它是如何工作的？

CrazyFlie 無人機(jī)平臺(tái)可以支持多個(gè)擴(kuò)展甲板。他們的官方網(wǎng)站上有幾個(gè)這樣的卡座，用于各種傳感和驅(qū)動(dòng)功能，例如 RGB LED 卡座、微型 SD 卡卡座、無線充電卡座等。這些卡座使用I2C協(xié)議與主 PCB 通信。I2C 協(xié)議使用稱為 SDA（數(shù)據(jù)）和 SCL（時(shí)鐘）的兩條線在稱為主設(shè)備的主設(shè)備和稱為從設(shè)備的第二設(shè)備/傳感器之間來回通信。在我們的例子中，CrazyFlie 主板將是“主”，而所有其他甲板將是“從”。每個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)設(shè)備 ID（7 或 10 位長(zhǎng)），主設(shè)備用來尋址它們。當(dāng)被要求時(shí)，只有相應(yīng)的奴隸應(yīng)該回答。

在此設(shè)計(jì)中，我們?cè)诩装逯車惭b了十三 (13)個(gè) VL53L1X飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器，面向不同方向，覆蓋360度視圖。這些傳感器來自 STMicroelectronics，它們可以以 50 Hz 的速率精確測(cè)量長(zhǎng)達(dá) 4 米的距離。這些傳感器中的每一個(gè)都共享相同的 I2C 地址（即 0x29）。這是問題所在。當(dāng)主設(shè)備調(diào)用這個(gè)地址時(shí)，哪個(gè)從設(shè)備會(huì)接聽？這是正確的！由于所有從 ToF 設(shè)備具有相同的地址，因此會(huì)產(chǎn)生沖突。作為一種解決方法，我們使用 I2C 總線擴(kuò)展器——PCA9555。該擴(kuò)展器最多可支持 16 個(gè)通道。這對(duì)我們來說是理想的，因?yàn)槲覀冎皇褂闷渲械?13 個(gè)。此擴(kuò)展器將幫助我們一次僅處理一個(gè) ToF 傳感器，而不會(huì)產(chǎn)生任何沖突。

一旦通電并使用主 CrazyFlie 平臺(tái)正確配置，固件將驅(qū)動(dòng)這些 ToF 傳感器中的每一個(gè)以捕獲周圍環(huán)境中的距離信息。此掃描的速率可高達(dá)每個(gè)傳感器 20 毫秒。

基于這些范圍信息，我們可以生成周圍環(huán)境的二維（2D）地圖。這確實(shí)是一張點(diǎn)云圖。點(diǎn)云圖是點(diǎn)的地圖，其中每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 3D 空間中的一個(gè)點(diǎn)。有很多算法可以從這樣的地圖中推斷出路徑。下圖顯示了從傳感器面板捕獲的距離讀數(shù)生成的點(diǎn)云圖，橙色為藍(lán)色，CarzyFlie 無人機(jī)的實(shí)際軌跡為藍(lán)色。

令人驚奇的是，飛行員不需要看到無人機(jī)來導(dǎo)航它。他只需要查看周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)地圖，該地圖刷新得非?？欤?0 Hz）并引導(dǎo)無人機(jī)遠(yuǎn)離障礙物。由于功耗也很低，所以飛行時(shí)間不會(huì)受到太大影響。

觀看此演示視頻，其中一名人類飛行員駕駛 CrazyFlie 無人機(jī)，該無人機(jī)在走廊轉(zhuǎn)彎時(shí)使用此避障甲板，而無需看到無人機(jī)。

硬件包括什么？

這個(gè)項(xiàng)目有兩個(gè)部分。

基礎(chǔ) PCB：這是 I2C 總線擴(kuò)展器和 ToF 傳感器 PCB 連接的主 PCB。

ToF 傳感器 PCB：每個(gè)卡座需要 12 個(gè)這樣的 ToF 傳感器 PCB

集成

每個(gè)組裝好的 ToF 傳感器 PCB 都需要焊接到主甲板 PCB 板上，如下圖所示。

用例

如果可以將這組 PCB 與所有組件和傳感器組裝在一起，那么官方 CrazyFlie 固件已經(jīng)支持這個(gè)自定義平臺(tái)，因?yàn)槲业倪@個(gè) pull request壯舉：pca9555 庫(kù)現(xiàn)在已合并到生產(chǎn)分支中。

該傳感器平臺(tái)用作災(zāi)難響應(yīng)研究的基礎(chǔ)，該研究發(fā)表在澳大利亞機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議 (ACRA 2020) 上