无人机--飞控科普

Posted 2021-02-13 braveheart007

无人机是无人驾驶飞机的简称（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。广义地看也包括临近空间飞行器（20-100 公里空域），如平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看做是“空中机器人”。

飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，我们认为是无人机最核心的技术之一。飞控一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三大部分，实现的功能主要有无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理和应急控制三大类。飞控按照是否公开源代码的方式分为开源飞控和商品飞控：

（1）开源飞控

世界各地的精英本着开源的精神，将所做的无人机工作开源开放，主要有MicroCopter, Paparazzi, AutoQuad, OpenPilot,MWC,KK, APM,PX4....MicroCopter, Paparazzi算是飞控开源的开山鼻祖，尤其Paparazzi以算法强大和稳定性著称，其下面也有很多版本，MCU采用ST和NXP的方案。用户最多的应算APM，在经历基于Arduino的发展后，现在已经逐步过渡到PX4/Pixhawk平台，采用双ST MCU、冗余电源及传感器的方案，以满足未来更苛刻的需求和功能。

（2）商品飞控

国外没有找到什么有名的商品飞控，国内到是有一堆，比如大疆的、极飞、零度、亿航....扒开外壳看下，大疆采用NXP方案(可以类比Paparazzi)，极飞ST， 零度有个AT91+FPGA，亿航(呵呵，似乎是APM，只是不公开)，都可以从开源飞控找到他们影子，只要商品飞控有的功能，开源飞控都有，但是开源飞控有的功能，商品不一定有，那么商品飞控有什么特点呢？

1)加了一个漂亮的外壳，尤其是铝合金的；

2)加了个优化算法，比如大疆似乎有个H∞；

3)简化了调参和线束。

个人认为，商品飞控并不具备核心技术，只是在开源飞控上的小修小改，改的简单易用。本书主要讲一开源飞控的代表，Pixhawk和Paparazzi。

1.1 Pixhawk飞控

Pixhawk飞控采用 Pixhawk作为飞行控制器，它是世界上最出名的开源飞控的硬件厂商 3DR 最新推出了最新一代飞控系统，其前身是 APM，由于 APM的处理器已经接近满负荷，没有办法满足更复杂的运算处理，所以硬件厂商采用了目前最新标准的 32 位 ARM 处理器，第一代产品是PX4系列，他分为飞控处理器 PX4FMU 和输入输出接口板PX4IO。PX4 系列可以单独使用 PX4FMU，但是接线很复杂，也可以配合输入输出接口板 PX4IO 来使用，但是因为没有统一的外壳，不好固定，再加上使用复杂，所以基本上属于一代实验版本。 通过 PX4 系列的经验，厂商终于简化了结构，把 PX4FMU 和 PX4IO 整合到一块板子上，并加上了骨头形状的外壳，优化了硬件和走线，也就是这款第二代产品 Pixhawk。

Pixhawk的所有硬件都是透明的，它用的是什么芯片和传感器一目了然，所有的总线和外设都进行引出，不但以后可以兼容一些其 他外设，而且对于有开发能力的用户提供了方便。Pixhawk是一个双处理器的飞行控制器，一个擅长于强大运算的 32 bitSTM32F427 Cortex M4 核心 168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash 处理器，还有一个主要定位于工业用途的协处理器 32 bit STM32F103，它的特点就 是安全稳定。所以就算主处理器死机了，还有一个协处理器来保障安全。

1.1.1 Pixhawk的特点

Pixhawk是一款低成本高性能自动驾驶仪。其继承了APM和PX4的优点，并在其基础上改进。这个项目源于ETH Zurich的计算机视觉与几何实验室、自主系统实验室和自动控制实验室的PIXHAWK项目。它具有来自ST公司先进的处理器和传感器技术，以及NuttX实时操作系统，能够实现惊人的性能，灵活性和可靠性控制任何自主飞行器。Pixhawk系统的优点包括：集成多线程，类似Unix / Linux类的编程环境；全新的自动驾驶功能，如任务和飞行行为的Lua脚本；一个自定义PX4驱动层以确保在所有任务具有严格的时序。这些先进的功能确保在你的飞行器上不存在任何限制。Pixhawk允许现有的APM和PX4能够无缝地过渡到该系统，并降低进入门槛的新用户参加自主飞行的精彩世界。

1.1.2 Pixhawk的发展

Pixhawk飞控是PX4飞控系统的进一步发展。Pixhawk将PX4-FMU控制器与PX4-IO集成到了一块电路板上，除此之外还有额外的IO、内存和其他特性。Pixhawk是一款货真价实的第三代飞行控制系统(APM -> PX4 -> Pixhawk)。它针对我们的飞行导航软件做了高度优化以实现对飞行器的控制与自动飞行。它的性能目前有充足的富余，因此在未来的几年内Pixhawk系统都可以继续有效使用。

 

1.2 Paparazzi飞控

Paparazzi(PPZ) 是一个软硬件全开源的项目，它始于2003年，旨在通过来自社区的意见和鼓励建立一个非常强大和灵活的自动驾驶系统。它是一整套完整成熟的解决方案,内容不仅覆盖 了飞行器上的软硬件,包括传感器,电压调节器,GPS 接收机、自动驾驶软件及算法;同时也 包括地面站相关软硬件,包括各种调制解调器,天线等设备;同时,它还有一个不断进化的用户友好的地面控制站软件。

PPZ 装备的无人机的体系结构可以理解为在普通飞行器(普通航模)和航模标配的遥控单元上,加装自动飞控板、相关传感器、无线 Modem,同时配置地面控制站(PC、调 制解调器、天线),让飞行器最后实现自动驾驶飞行或者接受地面站的指令自主调整姿态飞行。

PPZ系统的关键特性是使用红外线感应器和飞行姿态惯性测量传感器,通过计算来提供强大而准确的姿态估计,让飞行器不需要地面手动控制校准,即能自动调整飞行状态。控制者只需要在 地面站上给飞行器设定任务,剩下的则交给飞行器则自己去完成。所有的飞控、导航、姿态调整、任务执行等工作等,都是由飞控板全自动完成。当然,地面人员也可以随时在自动控制和手动控制两种状态间自由切换。

1.2.1灵活的 PPZ

通过不同的设置,PPZ 既可以用于驱动固定翼飞机,也可以用于旋翼机。PPZ 的灵活性体现在它可以根据用途特点和侧重点(飞行速度、飞行距离、滞空时间、负载能 力、价格),选择不同的飞行器,配置不同的飞控板、传感器、通讯模块和外设。

它的飞控板并不仅有一个单一的型号,通过多年的发展和进化,PPZ 的飞控板共衍生出了十几 款型号。这些飞控板在不同的年代被设计出来,不断完善进化,并出于不同的目的增减板载接口 和模块从而派生出不同的型号。比如2013年夏季为发布的 Lisa/S 型飞控板,只有2.8克的重量, 成为全球最轻的通用飞控板。与之相关的,PPZ 有一个很大的硬件兼容列表,涵盖不同厂家的 各种模块,诸如传感器(红外,陀螺仪,GPS,惯性测量,空速)、调制解调器、遥控器、模拟 /数字视频系统、天线等。

类似装配台式电脑,用户可以完全根据自己的需求选择相关配置,建成一套地空无人机系统,而 配置则可以异常灵活。以通讯模块为例:如果你只是在视距范围内玩玩,可以省略GPS,配置 短距离的2.4G 调制解调器,纯手动控制;如果想实现远距离的完全自主驾驶,则可以配置 GPS加上远距离无线调制解调器实现飞行数据回传和控制;又如果在电信运营商信号覆盖的区域内玩,则可以用3G 通讯模块传输数据给地面站。

除了使用硬件列表上的设备外,PPZ 的大部分型号飞控板还有 GPIO 接口,因此可以通过编程 来控制外接设备。最常见的例子,就是控制外挂相机进行航拍。所有的配置数据,都在设计和装配调试无人机的时候,通过一个管理中心的系统(Paparazzi Center)进行配置,并以xml文件的形式保存。

1.2.2 PPZ资料的共享

PPZ 不同于普通的纯粹以代码为中心的开源软件项目,它不仅利用 Github 托管代码和硬件原理 图 CAD 设计稿等设计资料。成功将 PPZ 跑起来需要主板与各种外围传感器、舵机马达的适配、矫正、调试,以及为航空载机做恰当的参数设定,这需要一定的经验。PPZ 把它的主网站构建成为一个WIKI,使得任何人都可以注册帐号后上去编辑和完善条目,补充和分享自己的经验。这样一来,PPZ就汇集了全球各地精英爱好者的智慧,以及各种一手实验数据和经验。此外开源的优点,让PPZ可以利用开源社区的各种高质量软件(例如gpsd),避免重复的劳动从而专 注于自动导航相关的研究与实现。开放性,促使 PPZ 发展的非常强大。

1.2.3 PPZ 的业内地位和影响

PPZ 在业界有较高的知名度并曾多次摘取多项荣誉。目前 PPZ 官网最新的新闻消息显示:在不 久前于9月结束的国际微型飞行器会议和飞行比赛(IMAV 2013)中,PPZ 驱动的飞机,获得户 外组第一名,室内组操作第一名,室内自主控制第三名的成绩。其中,用到了最新的只有2.8克 重量的Lisa/S 飞控板。可见 PPZ 在业内应用的广泛程度及其实力。

毫无疑问,现在在做无人机项目的公司,几乎都会学习和了解过 PPZ 项目。所以,如果一个企业要做一个无人机相关的研究开发,PPZ 应该会给予巨大的帮助和启发。估计一般的公司几乎不可能完全独立于PPZ 之外做出一套能够与 PPZ 比肩的系统。初创公司如果按照 PPZ的全开源软硬件设计和兼容硬件列表,找一个载机(或者自己设计一款)并作恰当的适配,则可以快速推出自己的产品——往往是初创企业推出产品 的捷径。但是需要注意的是——由于PPZ是开源的,竞争对手也能推出类似的同质化的产品, 所以如何在PPZ光环之外,作出自己的特色,往往是这些企业最需要考虑的。

1.2.4个人如何开始使用PPZ

PPZ 非常适合模型爱好者和geek来玩。对于个人DIY 爱好者,PPZ 官方网站的 wiki知识库, 已经涵盖了基本所有需要的知识,所以官网应该是一个不错的开始点。国内的一些模型论坛,已 经有不少玩家在交流和分享经验,可以上去找找。某裤上搜索 PPZ,也能出来不少视频,这些 都是前辈玩家贡献的知识。

对于初级个人玩家来说,Ubuntu Linux 做为官方推荐的地面站操作系统以及编译环境,可能需 要一段过程适应。另外,各种传感器、电路板是一个比较麻烦的问题。开源硬件不像开源软件那样成本仅为一台电脑和一些带宽,毕竟硬件需要掏钱真材实料去购买焊接制作电路板,门槛稍高。 如果玩家只想体验组装、调试、和飞行的乐趣,官网上有列出销售控制板和配套硬件的厂商(国 外厂商多);另外,某宝上也有看到 Lisa/M 的飞控板,也许可以一试。

PPZ 项目是无人机方面一个开放的大知识库,无论个人、公司、研究机构都能从中获益良多。相信 PPZ 未来在无人机领域还会发挥更大的影响力,引领无人机领域更进一步。