开源飞控实训—无人机多旋翼组装与飞行

本书在多旋翼装调实训环节，选择的是大疆入门级的NAZA-M Lite商品控，为便于部分读者DIY，这里有选择地介绍几款典型的开源飞控。

（1）MWC飞控

MWC是MultiWii Copter的缩写，它来源于法国的一个航模爱好者Alex，他从任天堂游戏机手柄中拆卸出了陀螺仪和加速度计模块，然后装到自己制作的飞控板上，来控制自己的三轴飞行器。Alex把自己的这个项目开源了，称为MultiWii，也就是后来著名的MWC飞控。经过全世界各大高手的不断完善与发展，变成了一个具有优秀性能的飞控程序，可以轻易适配各种DIY的飞控硬件，至今仍有强大的生命力。

MWC可支持的飞行模式有固定翼、直升机、四旋翼和其他多轴模式，目前，MWC的硬件方案主要有基于Arduino的Pro Mini、Pro Micro与Mega等3种AVR平台，还可以支持STM32，但STM32无法体现出任何性能与端口上的优势，所以还是以AVR为主。MWC飞控如图4.10所示。

MWC主要功能有以下几种（以MWCMEGA-2.0为例）：

①8路PWM输入。

②10路PWM输出，主要用于电调的信号，所以最多支持十轴飞行器。

图4.10　MWC飞控外观

③二轴云台输出与快门舵机输出，这是用来控制云台和快门的接口。

④四路串口用于连接蓝牙适配器、OSD、GPS和数传，这些用于飞行器的扩展功能。

⑤MPU6050，这里包含了三轴数字陀螺仪与三轴数字加速度计。

⑥高精度数字气压传感器，用于测量气压高度。

⑦三色状态指示LED，用于反馈信息，各种不同的方式对应不同的模式或参数。

（2）APM飞控

2007年前后，美国《连线》杂志前主编克里斯·安德森在家DIY一个固定翼飞行器的时候建立了diydrones社区，在社区上认识了许多来自各国的同好，其中有一个19岁的墨西哥极客小伙Jordi，高中毕业在家，自己制作了很多有趣的东西。安德森发现Jordi是一个很有想法且具有相当实力的人，于是2009年的时候安德森赞助了一笔钱，两个人一起创建了3D Robotics（3DR）公司，公司就建立在墨西哥，初期主要由Jordi来运营。2010年，3DR公司发布了采用更强大的mega2560单片机的APM飞控，其软硬件全部开源，这款飞控得到了diydrones社区上众多高手的不断完善和改进，传感器种类越来越丰富且精度越来越高，最终成为目前最流行、功能最强大的开源飞控。APM飞控基本外形及内部结构如图4.11所示。

1）主要特性（以APM2.5为例）

①免费开源固件，支持固定翼、多旋翼（4、6、8、10轴等）、直升机和地面车辆模式。

②Arduino开源编译环境。

③完全可视化操作的任务规划软件（含中文和其他多国语言）。

④可支持上百个三维航点。

⑤使用强大的MAVLink协议，支持双向遥测站。

图4.11　APM飞控基本外形及内部结构

⑥多种免费地面站，包括APM PLANNER和HK HCS。

⑦跨平台，支持Windows、Mac甚至手机Android系统，还支持Linux。在Windows下的图形任务规划设定工具（苹果系统可以使用模拟器）Arduino的编程环境，也是完全跨系统的。

⑧可实现自动起飞、降落、航点、航向飞行和返航等多种自驾仪特性。

⑨完整支持Xplane和飞行半硬件仿真（HIL）。

2）硬件组成

①三轴陀螺仪MPU6000。

②三轴加速度计MPU6000。

③测量高度的高精度数字空气压力传感器MS-5611。

④10 Hz的GPS模拟MTK3329。

⑤16 MB板上数据记录存储器，支持TF卡扩展。任务数据自动记录，并可以导出为KML的格式文件。

⑥三轴磁力计。(www.xing528.com)

⑦OSD视频叠加硬件，实现回传实时图像、姿态、模式和位置等重要信息。

⑧其他可选传感器包括空速传感器、电流传感器、超声波传感器、光流定点传感器和更多的12C PIS设备等。

（3）PX4和PIXHawk

图4.12　PX4飞控板

PX4是一个软硬件开源项目，目的在于为学术、爱好和工业团体提供一款低成本、高性能的高端自驾仪，如图4.12所示。这个项目源于苏黎世联邦理工大学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。PX4PMU自驾仪模块运行高效的实时操作系统（RTOS），Nuttx提供可移植操作系统接口（POSIX）类型的环境。例如：printf（）、pthreads、/dev/ttyS1、open（）、write（）、poil（）、ioetl（）等，软件可以使用USB bootloader更新。PX4通过MAVLink同地面站通信，兼容的地面站有QGround-Control和Mission Planner，软件全部开源且遵守BSD协议。

2014年，3DR公司联合APM小组和PX4小组联合推出PX4的升级版本——PIXHawk飞控，拥有PX4和APM两套固件和相应的地面站软件，比较详细的硬件组成如图4.13所示。该飞控是目前全世界飞控产品中硬件规格最高的产品，也是当前爱好者手中最炙手可热的产品。PIXHawk拥有168 MHz的运算频率，并突破性地采用了整合硬件浮点运算核心的Cortex-M4的单片机作为主控芯片，内置两套MEMS陀螺和加速度计，互为补充矫正；内置一个并可外接一个三轴磁力计，同时可外接一主一副两个GPS传感器，便于在出现故障时自动切换。

图4.13　PIXHawk飞控硬件构成

基于其高速运算核心和浮点算法，PIXHawk使用最先进的定高算法，可以仅凭气压高度计便将飞行器高度固定在1 m以内，它支持目前几乎所有的多旋翼类型，甚至包括三旋翼和H4这样结构不规则的产品。它使飞行器拥有多种飞行模式，支持全自主航线、关键点围绕、鼠标引导、FollowMe、对尾飞行等高级的飞行模式，并能够完成自主调参。PIXHawk飞控的开放性非常好，几百项参数全部开放给玩家调整，靠基础模式简单调试后即可飞行。

延伸阅读一　如何判断一款飞控性能的好坏？

衡量飞控“好坏”主要考虑4个方面的因素：适配、稳定、功能、服务。

1）适配

目前众多无人机厂商中拥有自己核心飞控技术的较少，多数厂家走了一条设计、研发、生产机体，采购成熟飞控，最后开拓市场渠道的道路，这有利于公司的快速起步并且占领市场制高点。然而，不同厂商的设计思路不同、针对用户不同、适应场景不同，造成飞行器机体千差万别。从单旋翼到多旋翼、从四轴到八轴、从开放式到函道式、从油动到电动，如果选择一款飞控不仅能够快速适配自己公司的大部分飞机，还能保证飞得又稳又好，那就可以大大提高研发效率，减少维护成本。

2）稳定

飞行稳定是一款好飞控的标配。判断一款飞控是否稳定，可以利用“三看”诀窍：一看公司产能，年产至少达到1 000套以上的，其各类工艺流程、质量管理、测试体系必然要正规、合格、健全得多；二看器件筛选，工业级以上的产品尤其是需要“归零”管理的产品器件筛选非常重要，需要考察公司在器件筛选的流程、筛选率等，确定基础器件的稳定；三看测试环境，飞控产品属于“零容忍”故障产品，至少需要经历模块级测试、产品级测试、系统级测试。虽然产品形态是飞控，但必须要经过整机安装后的飞行测试再拆装复原才能出厂。

3）功能

不得不承认，现在的飞控还不成熟，炸机率普遍处于3%～20%的较高水平，但这并不能阻止我们对功能的不懈追求。一般来讲，开源飞控由于丰富的生态，对于外在功能性需求响应较快；而自研飞控对于功能性定制更深入，对于系统性功能需求的开发周期更短。目前飞控除了基本飞行功能外，应用正热的拓展功能主要包括：

①高精度定位及控制，也就是我们俗称的差分GPS。②地势变化的自动跟踪，主要用在农田喷洒。

③自动避障功能，可以保证飞行过程中不对飞行器造成伤害；

④飞行规划定制，客户可以在使用过程中定义A—B点飞行、指定区域覆盖飞行、飞行任务中断续飞等。

⑤手持终端任务规划与监控，通过手机、PAD、笔记本等设备下达飞行任务并实时监控任务。

⑥远程监控及分析，通过移动运营商网络在远程异地对飞行过程进行监控并分析运行状态及故障。

4）服务

优质的技术支持服务对于整机厂商越发重要。售后服务和技术支持也是一个特别重要的因素，尤其是对B端的客户。以农业植保应用为例，农田施药的作业季在3—10月，而旺季主要集中在5—8月，需要高强度、大负荷、不间断作业，在温差大、湿度大、环境复杂的农田出现各类故障在所难免。优质的服务需要7×24小时提供不间断技术支持、配件更新、调试指导，才能让使用者最大限度地减小损失、获取效益，而且这些专业的服务目前只有飞控生产厂商才能做得最好。

延伸阅读二　飞控未来的发展

从目前的现状来看将来的发展，飞控技术的复杂程度由易到难基本可分为3个层次：飞行、感知、交互。

1）飞行

在了解无人机自身状态进行稳定控制的基础上，地面操纵人员可以通过遥控、移动端设置路线或远程指令完成预定航线的自动飞行，这是飞行控制的入门阶段，练好这一级可以完成一些基本的任务，比如空旷区域的远程侦察。这一层级可以说现阶段已经十分成熟了。

2）感知

感知层次是指无人机不仅了解自身状态，对外界环境也要通过传感器了如指掌。感知通过传感器选型、数字滤波、多传感器数据融合、基于感知的路径规划等技术，让无人机在复杂环境中完成任务且飞行自如。目前，应用在农业、物流、巡检、航测等复杂环境和行业领域的无人机，已经多角度地在探索感知技术，如规避建筑物、自动寻找合适降落地点等，并获得了良好效果。

3）交互

今天的无人机，其技术状态类似几十年前的地面机器人，可以稳定行走（飞行），可以越过一些简单的障碍物，可以把拍摄的场景记录下来。而今天的地面机器人，其能力不仅会“行走”和“感知”，复杂“交互”的能力让它们对完成诸如拆弹、换电瓶，甚至与人类下棋这样的工作都游刃有余。无人机为什么不能“交互”呢？为什么不能空中进行危险品的采样、输电线路损坏器件的维修更换、货物的自动抓取与运输？可以预见，在不远的将来，具备“交互”能力的无人机将会使我们耳目一新。

当然，在这之前，我们还有很多工作要做。比如针对应用场景的环境变量、复杂程度、精度要求、响应时间等，进行激光、声纳、雷达等新型感知传感器的硬件选型和组合，流媒体、离散矩阵等结构化和非结构化数据归拢与深度融合，以及根据飞行器的运动学和动力学特性进行任务、路径的重规划等。