Главная › Новости

Управление квадрокоптером ArDrone 2.0 через ROS с помощью джойстика » Радиолюбительский портал

Опубликовано: 06.09.2018

Тестируем Parrot AR Drone 2.0

Это проект создания управления джойстиком квадрокоптера ArDrone 2.0 c из ROS.

1. Квадрокоптер ArDrone 2.0

Parrot AR.Drone – это радиоуправляемый квадрокоптер, то есть вертолет с четырьмя несущими винтами, размещенных на выносных диагональных балках. Сам AR.Drone работает под управлением операционной системы Linux, а в качестве пульта ДУ к квадрокоптеру может выступать практически любой сенсорный смартфон и планшет на Android или iOS. Дистанция устойчивого управления по Wi-Fi – от 25 до 100 метров и зависит от помещения и погодных условий, если полеты происходят на улице.

Обзор Квадрокоптера Parrot AR.Drone 2.0 Power Edition

Квадрокоптер Parrot AR.Drone 2.0 оснащен 4-мя моторами мощностью 14.5 Вт и выдающих 28 500 RPM. В редукторе используются шестерни из нилатрона для понижения шумов, а бронзовые самосмазывающиеся подшипники позволяют всему этому эффективно вращаться. На контроллере каждого мотора используется 8 MIPS AVR CPU, а сам контроллер влагоустойчив. Максимальная скорость полета — 18 км/ч

Блок управления квадрокоптером ArDrone 2.0 на модуле ESP8266

На борту обновленной версии квадрокоптера установлены 2 видеокамеры:

Фронтальная HD камера выдает 720p, 30 fps с углом объектива в 92 градуса.

Нижняя QVGA камера (320х240), 60 fps с углом объектива 64 градуса. Её AR.Drone так же использует для замерения горизонтальной скорости.

«Мозги» дрона представляют из себя 1GHz ARM Cortex A8 процессор с 800 MHz DSP TMS320DMC64x для видео. 1Гбит DDR2 RAM на 200MHz. И управляется это всё с помощью Linux 2.6.32. Соединение с «пультом» управления (коим являются iOS и Android девайсы) происходит по WiFi. Так что коптер несет на себе WiFi точку.

Ориентация в пространстве происходит за счет 3-х осевого гироскопа, 3-х осевого акселерометра, 3-х осевого магнитометра (магнитный компас), датчика давления и ультразвукового высотомера 

Технические характеристики

Видео возможности:

HD Видеокамера реального времени: 720p 30fps Широкоугольная линза: 92 градуса H264 формат кодирования видео Видео передается и записывается на устройство управления или на usb-накопитель Захват и сохранение изображений в JPEG (720p)

Технические характеристики

3х секционная литий-полимерная(LiPo) батарея 1,000 mAH Пропеллеры специальной формы для быстрого маневрирования 4 бесщеточных мотора, 14.5 Ватт и скоростью вращения 28,500 в минуту Малошумные шестерни Nylatron Автоматическая остановка всех винтов при контакте с препятствием Полное программное управление моторами Устойчивый к попаданию воды контроллер мотора Специальная подвеска плат управления, гасящая нагрузки Вес: 380г с корпусом для полетов на улице, 420г - с корпусом для полета в помещении Части вертолета сделаны из износоустойчивого и ударопрочного пластика Любая часть вертолета заменяется с помощью специальных инструментов

Электроника и датчики

Процессор 16MHz 32 bit ARM Cortex A8 с 800MHz video DSP TMS320DMC64x Память 16bit DDR2 RAM на 200MHz Контроллеры моторов: 8 MIPS AVR CPU Wi-Fi b/g/n 3х осевой акселлерометр 3х осевой гироскоп с углом вращения 2000 градусов/сек Барометрический датчик с точностью +/- 10 Па (80см над уровнем моря) 60 fps вертикальная QVGA камера для измерения горизонтальной скорости 3х осевой магнитометр с точностью до 6 градусов Ультрозвуковые датчики для измерения высоты полета Операционная система Linux 2.6.32

AR.Drone это непросто квадрокоптер, а квадрокоптер с задумкой под идею дополненной реальности (Augmented Reality Drone). Для него есть игровые приложения дополненной реальности, а еще у него открытый API.

Из-за низкой стоимости, большого количества качественных сенсоров, а так же благодаря открытому API, AR.Drone стал популярной платформой для научных экспериментов и образовательных целей. Он применяется в работах по автоматическому управлению, обучению AI, автономному видеонаблюдению, взаимодействию человек-машина, и т.д.

У меня возникло желание организовать голосовое управление AR.Drone из ROS, чтобы в перспективе он работал в паре с роботом Turtlebot. Но для начала необходимо для подстраховки сделать Ardrone управляемым с удобного устройства. Я решил выбрать джойстик.

2. Драйвер  квадрокоптера ArDrone 2.0 для ROS

Ardrone_autonomy является ROS драйвером для квадрокоптера Parrot ArDrone. Поддерживает квадрокоптеры ArDrone 1.0 и  ArDrone 2.0. Этот пакет является ответвлением пакета ArDrone Brown. Пакет позволяет получать сообщения с датчиков ArDrone, получать изображения с камер, управлять движением квадрокоптера и свечением светодиодов.

Установка пакета ArDrone autonomy. Сначала клонируем код в директорию пакетов (ROS_PACKAGE_PATH — у меня ros_pkgs)

$ cd ~/ros_pkgs $ git clone https://github.com/AutonomyLab/ardrone_autonomy.git $ rosstack profile && rospack profile $ roscd ardrone_autonomy

Далее — компиляция ArDrone SDK 2.0. Запускаем скрипт build_sdk.sh

$ ./build_sdk

Если компиляция прошла успешно — проверяем содержимое каталога lib

$ ls ./lib

Должно быть так:libavcodec.a  libavformat.a    libpc_ardrone_notool.a  libvlib.a

libavdevice.a  libavutil.a    libsdk.a

libavfilter.a  libpc_ardrone.a  libswscale.a

И сборка пакета

rosmake ardrone_autonomy

Для запуска драйвера

rosrun ardrone_autonomy ardrone_driver

Cписок тем для публикации данных драйвера ardrone_autonomy

/ardrone/bottom/camera_info /ardrone/bottom/image_raw /ardrone/bottom/image_raw/compressed /ardrone/bottom/image_raw/compressed/parameter_descriptions /ardrone/bottom/image_raw/compressed/parameter_updates /ardrone/bottom/image_raw/theora /ardrone/bottom/image_raw/theora/parameter_descriptions /ardrone/bottom/image_raw/theora/parameter_updates /ardrone/camera_info /ardrone/front/camera_info /ardrone/front/image_raw /ardrone/front/image_raw/compressed /ardrone/front/image_raw/compressed/parameter_descriptions /ardrone/front/image_raw/compressed/parameter_updates /ardrone/front/image_raw/theora /ardrone/front/image_raw/theora/parameter_descriptions /ardrone/front/image_raw/theora/parameter_updates /ardrone/image_raw /ardrone/image_raw/compressed /ardrone/image_raw/compressed/parameter_descriptions /ardrone/image_raw/compressed/parameter_updates /ardrone/image_raw/theora /ardrone/image_raw/theora/parameter_descriptions /ardrone/image_raw/theora/parameter_updates /ardrone/imu /ardrone/land /ardrone/mag /ardrone/navdata /ardrone/reset /ardrone/takeoff /cmd_vel /tf

Список сервисов драйвера ardrone_autonomy

/ardrone/bottom/image_raw/compressed/set_parameters /ardrone/bottom/image_raw/theora/set_parameters /ardrone/bottom/set_camera_info /ardrone/flattrim /ardrone/front/image_raw/compressed/set_parameters /ardrone/front/image_raw/theora/set_parameters /ardrone/front/set_camera_info /ardrone/image_raw/compressed/set_parameters /ardrone/image_raw/theora/set_parameters /ardrone/imu_recalib /ardrone/setcamchannel /ardrone/setflightanimation /ardrone/setledanimation /ardrone/togglecam /ardrone_driver/get_loggers /ardrone_driver/set_logger_level

 

Информацию, полученную от квадрокоптера, драйвер публикует в тему ardrone/navdata. Тип сообщения ardrone_autonomy::Navdata

Предоставляется следующая информация

header: ROS message header 

   batteryPercent: оставшегося заряда батареи дрона (%)    state: статус ArDropne

   0: не определен  1: Inited  2: на земле 3,7: в полете   4: Hovering  5: Test (?)    6: не включен 8: Landing 9: Looping (?)

   rotx: левый / правый наклон в градусах (поворот вокруг оси X)    roty: Вперед / назад, наклон в градусах (поворот вокруг оси Y)    rotz: Ориентация в градусах (поворот вокруг оси Z)     magX, magY, magZ: магнитометра (только AR-Drone 2,0 )     pressure: давление воспринимается барометр дрона  (только AR-Drone 2,0 )     temp : температура воспринимается датчиком дрона        wind_speed: Расчетная скорость ветра  (только AR-Drone 2,0 )    wind_angle: Расчетный угол ветра  (только AR-Drone 2,0 )    wind_comp_angle: Предполагаемый угол компенсации  ветра  (только AR-Drone 2,0 )    altd: Расчетная высота (мм)    vx, vy, vz: Линейная скорость (мм / с)    ax, ay, az: линейное ускорение (G)    tm: Timestamp из данных, возвращаемых Drone

В экспериментальную тему Base публикуются сообщения типа sensor_msg/Imu, выдающие показания линейного ускорения, угловой скорости и ориентации устройчтва по осям x, y, z. 

Камеры

Оба AR-Drone 1,0 и 2,0 оснащен двумя камерами. Одна  фронтальная камера направлена вперед и одна вертикальную камеру вниз. Драйвер ardrone_driver создает три темы  ardrone/image_raw, ardrone/front/image_raw and ardrone/bottom/image_raw.  В каждую из этих тем  публикуются сообщения типа image_transport

Для вывода на камеру (текущую)

rosrun image_view image_view image:=/ardrone/image_raw

или на конкретную (допустим front)

rosrun image_view image_view image:=/ardrone/front/image_raw

Отправка команд для AR-Drone

Взлет — отправка пустого сообщения в тему ardrone/takeoff

Посадка - отправка пустого сообщения в тему ardrone/land

Сборос параметров(аварийная остановка) - отправка пустого сообщения в тему ardrone/reset

rostopic pub /ardrone/land std_msgs/Empty

После взлета для управления движением ArDrone  необходимо посылать сообщения типа geometry_msgs::Twist в  тему cmd_vel

   -Linear.x: двигаться назад

   + Linear.x: двигаться вперед

   -Linear.y: переместить вправо

   + Linear.y: движение влево

   -Linear.z: двигаться вниз

   + Linear.z: двигаться вверх

   -Angular.z: повернуть налево

   + Angular.z: повернуть направо

Диапазон для каждого компонента должно быть от -1,0 до 1,0. Максимальный диапазон может быть настроен с помощью ROS параметры обсуждаются далее в этом документе. Публикация "0" значение для всех компонентов сделает гул держать зависания.

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.1, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0,y: 0.0,z: 0.0}}'

Светодиодные анимации

Вызов службы ardrone/setledanimation будет вызывать выполнение одной из 14 предопределенных светодиодной анимаций для ArDrone. 

Параметры

uint8 типов : тип анимации, который является число в диапазоне [0 .. 13]; float32 частоты : частота анимации в Гц; uint8 продолжительность : продолжительность анимации в секундах.

Тип параметра анимации:

   BLINK_GREEN_RED;    BLINK_GREEN;    BLINK_RED;     BLINK_ORANGE;    SNAKE_GREEN_RED;     FIRE;    STANDARD;    RED;    GREEN;    RED_SNAKE;    BLANK;    LEFT_GREEN_RIGHT_RED;   LEFT_RED_RIGHT_GREEN;  BLINK_STANDARD.

Эти анимации можно протестировать в командной строке, например

rosservice call /ardrone/setledanimation 1 4 5

 

Полетные анимации

Вызов  службы ardrone/setflightanimation будет выполнять одну из 20 предопределенных полетных анимаций (полетных фигур) для ArDrone. Параметры:

uint8 типов : тип полета анимация, число в диапазоне [0 .. 19]

uint16 продолжительность : продолжительность анимации. Используйте 0 для длительности по умолчанию (рекомендуется)

ARDRONE_ANIM_PHI_M30_DEG; ARDRONE_ANIM_PHI_30_DEG; ARDRONE_ANIM_THETA_M30_DEG;  ARDRONE_ANIM_THETA_30_DEG; ARDRONE_ANIM_THETA_20DEG_YAW_200DEG;  ARDRONE_ANIM_THETA_20DEG_YAW_M200DEG;  ARDRONE_ANIM_TURNAROUND; ARDRONE_ANIM_TURNAROUND_GODOWN;  ARDRONE_ANIM_YAW_SHAKE;  ARDRONE_ANIM_YAW_DANCE;  ARDRONE_ANIM_PHI_DANCE; ARDRONE_ANIM_THETA_DANCE;  ARDRONE_ANIM_VZ_DANCE;  ARDRONE_ANIM_WAVE;  ARDRONE_ANIM_PHI_THETA_MIXED; ARDRONE_ANIM_DOUBLE_PHI_THETA_MIXED;  ARDRONE_ANIM_FLIP_AHEAD;  ARDRONE_ANIM_FLIP_BEHIND;  ARDRONE_ANIM_FLIP_LEFT; ARDRONE_ANIM_FLIP_RIGHT.

Эти анимации можно протестировать в командной строке, например

rosservice call /ardrone/setflightanimation 1 0

Полетные анимации можно запустить во время полета ArDrone.

Можно попробовать поуправлять ArDrone и с клавиатуры

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

Но я бы не советовал - управлять очень трудно - пара жестких падений квадрокоптера заставила меня отказаться от этой идеи. 

Подключаем джойстик

У меня имеелся в наличии джойстик Defender Gamne Racer X7

Defender Game Racer X7 имеет 12 кнопок (включая D-Pad и 2 аналоговых джойстика), а также кнопки Turbo, Clear и Home. Устройство поддерживает вибрационную обратную связь, работающую при помощи 2-х вибромоторов. Подключение к компьютеру производится через интерфейс USB. Джойстик может работать в двух режимах, один из которых HID-устройство, другой - контроллер XBOX360 . Переключение производится с помощью кнопки Mode.

Подключаем джойстик к компьютеру с Linux. 

$ ls /dev/input

Джойстик устройства называются по JSX, у меня было наш джойстик js0. Удостоверимся, что джойстик работает.

$ sudo jstest /dev/input/js0

img

На сервере параметров устанавливаем параметр joy_node/dev, где указываем порт подключения нашего джойстика

$ rosparam set joy_node/dev "/dev/input/jsX0"

И запускаем узел joy_node из пакета joy

$ rosrun joy joy_node

И смотрим сообщения, публикуемые в тему joy

img

Создаем новый ROS пакет

$ roscreate-pkg vp_ardrone1 rospy std_msgs ardrone_autonomy joy

Устанавливаем зависимости пакета

$ rosdep install vp_ardrone1

Собираем пакет

$ rosmake vp_ardrone1

Теперь нам необходимо написать скрипт, создающий узел, который будет получать сообщения из темы joy и отправлять команды управления квадрокоптеру Ardrone. Скрипт написан на python.

С помощью джойстика выполняем следующие команды

взлет, посадка, движение (вверх, вниз, влево, вправо, вверх, вниз, поворот) со скоростью отклонения джойстиков, зависание, светодиодные анимации 0-13, полетные анимации 0-14 из 19 ,кроме сальто(для включения сальто поменяйте строку num2=min(num2+1,14) на num2=min(num2+1,18).

Текущие значение led-анимации и flight-анимации хранятся на сервере параметров (параметры joystick_num1 и joystick_num2). Последние значения данных, отправляемых в тему cmd_vel также хранятся на сервере параметров (параметр ). Вот его содержимое (nodes/ros_ardrone1_joystick_to_move.py).

#!/usr/bin/env python #-*-coding:utf-8 -*- import roslib; roslib.load_manifest('vp_ardrone1') import rospy import subprocess import shlex import time from ardrone_autonomy.msg import * from ardrone_autonomy.srv import * from sensor_msgs.msg import Joy from std_msgs.msg import String from std_msgs.msg import Empty from std_msgs.msg import Int32 from geometry_msgs.msg import Twist def controller(data): # проверка takeoff - кнопка start/10 if(data.buttons[7]==1): # взлет rospy.loginfo("взлет") pub1=rospy.Publisher('ardrone/takeoff', Empty) pub1.publish() time.sleep(1) elif(data.buttons[6]==1): # посадка- кнопка back/9 rospy.loginfo("посадка") pub1=rospy.Publisher('ardrone/land', Empty) pub1.publish() time.sleep(1) elif(data.buttons[1]==1): # следующая led анимация - кнопка B2 num1=rospy.get_param("joystick_num1") num1=min(num1+1,13) # 0...13 rospy.set_param("joystick_num1",num1) serv1=rospy.ServiceProxy('ardrone/setledanimation', LedAnim) res1=serv1(num1,1,5); rospy.loginfo("next led анимация"+str(num1)) rospy.loginfo(res1) time.sleep(1) elif(data.buttons[0]==1): # предыдущая led анимация - кнопка A1 num1=rospy.get_param("joystick_num1") num1=max(num1-1,0) # 0...13 rospy.set_param("joystick_num1",num1) serv1=rospy.ServiceProxy('ardrone/setledanimation', LedAnim) res1=serv1(num1,1,5); rospy.loginfo("prev led анимация"+str(num1)) rospy.loginfo(res1) time.sleep(1) elif(data.buttons[5]==1): # завис - кнопка RB6 pub3=rospy.Publisher('cmd_vel', Twist) odom=Twist() odom.linear.x=0.0 odom.linear.y=0.0 odom.linear.z=0.0 odom.angular.x=0.0 odom.angular.y=0.0 odom.angular.z=0.0 pub3.publish(odom) rospy.loginfo("завис!!!!") time.sleep(1) elif(data.buttons[3]==1): # следующая полетная анимация - кнопка Y4 num2=rospy.get_param("joystick_num2") num2=min(num2+1,14) # 0...18 (ограничено flip) rospy.set_param("joystick_num2",num2) serv1=rospy.ServiceProxy('ardrone/setflightanimation',FlightAnim) res1=serv1(num2,0); rospy.loginfo("next полетная анимация"+str(num2)) rospy.loginfo(res1) time.sleep(1) elif(data.buttons[2]==1): # предыдущая полетная анимация - кнопка X3 num2=rospy.get_param("joystick_num2") num2=max(num2-1,0) # 0...18 (ограничено flip) rospy.set_param("joystick_num2",num2) serv1=rospy.ServiceProxy('ardrone/setflightanimation',FlightAnim) res1=serv1(num2,0); rospy.loginfo("prev - полетная анимация"+str(num2)) rospy.loginfo(res1) time.sleep(1) elif(data.axes[0]!=0.0 or data.axes[1]!=0.0 or data.axes[3]!=0.0 or data.axes[4]!=0.0): # управление pub3=rospy.Publisher('cmd_vel', Twist) joistick_prev_odom=rospy.get_param("joystick_prev_odom") odom=Twist() odom.linear.x=data.axes[1] odom.linear.y=data.axes[0] odom.linear.z=data.axes[4] odom.angular.x=0.0 odom.angular.y=0.0 odom.angular.z=data.axes[3] pub3.publish(odom) joistick_prev_odom[0]=data.axes[0] joistick_prev_odom[1]=data.axes[1] joistick_prev_odom[2]=data.axes[2] joistick_prev_odom[3]=data.axes[3] joistick_prev_odom[4]=data.axes[4] joistick_prev_odom[5]=data.axes[5] rospy.set_param("joystick_prev_odom",joistick_prev_odom) rospy.loginfo("движение!!!!") else: # останов джойстиками joistick_prev_odom=rospy.get_param("joystick_prev_odom") odom=Twist() if(joistick_prev_odom[0]!=data.axes[0] or joistick_prev_odom[1]!=data.axes[1] or joistick_prev_odom[3]!=data.axes[3] or joistick_prev_odom[4]!=data.axes[4]): pub3=rospy.Publisher('cmd_vel', Twist) odom.linear.x=0.0 odom.linear.y=0.0 odom.linear.z=0.0 odom.angular.x=0.0 odom.angular.y=0.0 odom.angular.z=0.0 pub3.publish(odom) joistick_prev_odom[0]=0.0 joistick_prev_odom[1]=0.0 joistick_prev_odom[2]=0.0 joistick_prev_odom[3]=0.0 joistick_prev_odom[4]=0.0 joistick_prev_odom[5]=0.0 rospy.set_param("joystick_prev_odom",joistick_prev_odom) rospy.loginfo("останов по джойстику!!!!") # #rospy.loginfo(data.axes) #rospy.loginfo(data.buttons) def listener(): rospy.init_node('joyctick') if not rospy.has_param("joystick_num1"): rospy.set_param("joystick_num1",0) if not rospy.has_param("joystick_num2"): rospy.set_param("joystick_num2",0) if not rospy.has_param("joystick_prev_odom"): rospy.set_param("joystick_prev_odom",[0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0]) sub = rospy.Subscriber("joy",Joy,controller) rospy.spin() if __name__ == '__main__': listener()

Запускаем

$ rosrun vp_ardrone1 ros_ardrone1_joystick_to_move.py

Вы не можете скачивать файлы с нашего сервера