無人機(jī)APM—PIXHAWK飛控應(yīng)用研究

張祖航+++曹著明+++薛翼飛

摘 要：對于復(fù)雜的無人機(jī)結(jié)構(gòu)和原理，四旋翼無人機(jī)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)勢，同時也是最先進(jìn)入民品市場的機(jī)型?？墒?，該無人機(jī)對飛行控制操作能力要求很高，由此激發(fā)了大量科研人士對基于MEMS傳感器的開源飛控的研制。由于無人機(jī)飛控的發(fā)展，有效提升了多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)、車模和直升機(jī)等設(shè)備的性能，使其具備多種運(yùn)行模式，其功能已接近商業(yè)自動駕駛儀標(biāo)準(zhǔn)。本文通過研究APM-PIXHAWK開源飛控的性能以及原理和相應(yīng)的飛控調(diào)試中的出現(xiàn)問題，提出相關(guān)提升其性能的策略，以實現(xiàn)開源飛控在商業(yè)市場上的高性能及飛行器的飛行穩(wěn)定性，更好地為無人機(jī)行業(yè)做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 飛控 開源 APM 研究

從無人機(jī)的硬件設(shè)施來分析，飛控系統(tǒng)主要包括傳感器、飛控計算機(jī)及伺服裝置三部分。整個無人機(jī)機(jī)載飛控系統(tǒng)的核心設(shè)備是飛控計算機(jī)，其主要功能是依據(jù)輸入的相關(guān)信息（傳感器等）、儲存的相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與上行遙控指令（無線電測控終端），再完成分析、計算和處理，然后輸出給伺服運(yùn)行機(jī)構(gòu)即舵機(jī)系統(tǒng)，來操縱控制無人機(jī)的舵面、前輪和發(fā)動機(jī)的風(fēng)門，以實現(xiàn)對無人機(jī)的飛行或地面滑跑的控制。無人機(jī)相關(guān)的狀態(tài)信息主要由測定裝置負(fù)責(zé)測量，無人機(jī)的主要測量裝置有：陀螺儀（三軸角速度、垂直），傳感器（攻角和偏航角、真實空速、磁航向、氣壓高度和高度差、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速）等。以舵機(jī)為執(zhí)行元件的是伺服系統(tǒng)，其隨動系統(tǒng)由若干部件組成，它將主要影響飛控系統(tǒng)帶寬。伺服系統(tǒng)是按照指令模型裝置或敏感元件輸出的電信號來操縱舵面，以實現(xiàn)無人機(jī)的自動穩(wěn)定和控制。在該伺服系統(tǒng)中常用的三種反饋是均衡反饋、位置反饋和速度反饋。同時它們構(gòu)成三種常見的舵回路形式，即硬反饋式、彈性反饋和軟反饋式。

一、PIXHAWK飛控

ArduPilot Mega自動駕駛儀（簡稱APM自駕儀-APM V）是一款非常優(yōu)秀而且完全開源的自動駕駛控制器，可應(yīng)用于多旋翼、固定翼、車模、直升機(jī)等，同時還可以搭配多款功能強(qiáng)大的地面控制站配合使用。地面控制站可以在線升級固件、調(diào)參，并使用一套全雙工的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在自駕儀與地面站之間建立起一條數(shù)據(jù)鏈，即可組裝成一整套無人機(jī)自動控制系統(tǒng)，適合個人組建自己的無人機(jī)駕駛系統(tǒng)。

PIXHAWK作為飛行控制器，是世界上最出名的開源飛控的硬件廠商3DR最新推出了最新一代飛控系統(tǒng)，其前身是開源飛控APM，由于APM的處理器已經(jīng)接近滿負(fù)荷，不能夠滿足更復(fù)雜的運(yùn)算處理，因此硬件廠商采用了目前最新標(biāo)準(zhǔn)的32位ARM處理器，第一代產(chǎn)品是PX4系列，他分為飛控處理器 PX4FMU和輸入輸出接口板PX4IO。PX4系列可以單獨(dú)使用PX4FMU，但是接線的方式還是較為復(fù)雜，不過也可以配合輸入輸出接口板PX4IO來使用調(diào)試，因為沒有統(tǒng)一的外殼，再加上使用復(fù)雜，為了避免不好固定，此版本還是處于試驗測試階段。通過測試PX4系列的不足，廠商最終找到了優(yōu)化方案，簡化了結(jié)構(gòu)，把PX4FMU和PX4IO 整合到一塊電路板上，加上了骨頭狀的外殼，保護(hù)了里面的電路控制系統(tǒng)，并改進(jìn)了硬件和走線設(shè)施，使其性能更加良好。也就是目前市場上的這款第二代產(chǎn)品PIXHAWK；PIXHAWK的所有硬件都是透明的，它用的是什么芯片和傳感器一目了然，所有的總線和外設(shè)都進(jìn)行引出，不但可以兼容一些其他外設(shè)，并且為有開發(fā)能力的用戶提供了方便。PIXHAWK是一個雙處理器的飛行控制器，一個擅長于強(qiáng)大運(yùn)算的32bit STM32F427 CortexM4核心與168MHz/256KB、RAM/2MB Flash處理器，還有一個主要定位于工業(yè)用途的協(xié)處理器32bit STM32F103，它的特點(diǎn)就是安全穩(wěn)定。所以就算主處理器死機(jī)了，還有一個協(xié)處理器來保障安全。

1.性能特點(diǎn)

APM-PIXHAWK的特點(diǎn)是：免費(fèi)的開源程序，支持多種載機(jī)。ArduPlane模式支持固定翼飛機(jī)，Arducoper模式支持直升機(jī)與多旋翼（包括三軸、四軸、六軸、八軸等），ArduRover模式支持地面車輛；人性化的圖形地面站控制軟件，通過一根Micro_USB線或者一套無線數(shù)傳連接，鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作就可以進(jìn)行設(shè)置和下載程序到控制板的MCU中，無需編程知識和下載線等其他硬件設(shè)備。但如果想更深入的了解 APM 的代碼的話，仍舊可以使用Arduino來手動編程下載；地面站的任務(wù)規(guī)劃器支持上百個三維航點(diǎn)的自主飛行設(shè)置，并且只需要通過鼠標(biāo)在地圖上點(diǎn)擊操作就行；基于強(qiáng)大的MavLink協(xié)議，支持雙向遙測和實時傳輸命令；多種免費(fèi)地面站可選，包括 Mission Planner，HK GCS等，還可以使用手機(jī)上的地面站軟件，地面站中可實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃，空中參數(shù)調(diào)整，視頻顯示，語音合成和查看飛行記錄等；可實現(xiàn)自動起飛，自動降落，航點(diǎn)航線飛行，自動返航等多種自駕儀性能完整支持Xplane和 Flight Gear 半硬件仿真。

2. PIX飛控面板

PIX飛控面板一共有15個端口，包括SpektrumDSM2 或DSMX衛(wèi)星接收機(jī)接口；TTL串口數(shù)據(jù)，數(shù)傳電臺（絲印字符TELEM1）；（絲印字符TELEM2）TTL 串口數(shù)據(jù)，常用于連接OSD；外接USB連接口，用于延長 USB接口到外面；SPI總線；電源模塊接口；7安全開關(guān)接口；蜂鳴器接口；TTL串口4和5；GPS模塊接口；CAN總線接口；I2C總線接口；ADC輸入最高6.6V；ADC 輸入最高3.3V；LED信號燈。每個端口都有相應(yīng)的作用。更好地適合于在無人機(jī)上面加更多的功能以及顯示飛機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)。它的技術(shù)規(guī)格、接口分配、PWM、PPM-SUM和SBUS模式下的舵機(jī)與電調(diào)的連接。

PIX飛控的側(cè)面部分主要的功能為：讓飛控恢復(fù)出廠設(shè)置和連接電腦軟件的USB端口進(jìn)行調(diào)試。飛控調(diào)試以及TF卡槽和復(fù)位鍵，都是重要組成部分，之所以筆者在調(diào)試的過程中都要找到相應(yīng)的位置正確操作，避免出現(xiàn)不必要的危險。PIX側(cè)面面板有四個接口，其作用分別是：輸入輸出模塊復(fù)位按鈕；TF卡插槽；飛行控制模塊復(fù)位按鈕；Micro-USB接口。endprint

PIX飛控指示燈是讓我們得知飛控是非處于打開和關(guān)閉狀態(tài)，一共有三種顏色，分別為紅、黃、藍(lán)。以及相對應(yīng)的指示作用。重要的是還可以得知飛控上的GPS是否搜索到衛(wèi)星信號，飛機(jī)羅盤是否校準(zhǔn)。POWER為電源指示燈；TX為板載Atmega32U與2560的通訊數(shù)據(jù)指示燈，發(fā)射；RX為板載Atmega32U與2560的通訊數(shù)據(jù)指示燈，接收；A紅為解鎖燈，閃動為未解鎖，常亮為解鎖，可以起飛；C藍(lán)為GPS指示燈，閃爍表示未完成定位，常亮是表示完成定位；AC為A和C常亮后就可以起飛了。

PIX的通道接口主要有四個，分別為：遙控器輸入 PPM格式，最多支持8個通道，大多數(shù)用戶需要PWM轉(zhuǎn) PPM 模塊；S.Bus輸出；主輸出，8個PWM通道，用于連接電調(diào)或者舵機(jī)；輔助輸出，6個PWM通道，用于其他擴(kuò)展，例如舵機(jī)云臺。該部分為飛控的下半部分，其他的主要作用為飛控的供電端和電調(diào)輸入端以及接收機(jī)輸入端。最左端是兩個接收機(jī)的兩個連接方式，分別為SBUS、和PWM解碼器的轉(zhuǎn)換口。中間和右邊為通道輸出端。

3.飛控羅盤校準(zhǔn)

羅盤校準(zhǔn)的頁面跟面板上的加速度校準(zhǔn)在同一個菜單欄下，然后點(diǎn)擊工nstall setup（初始設(shè)置）下的MandatoryHardware下拉菜單，選擇Compass菜單，按下圖勾選對應(yīng)的設(shè)置以后點(diǎn)擊Live Calibrad（現(xiàn)場校準(zhǔn)）。為了更好地讓無人機(jī)在空中穩(wěn)定的飛行，羅盤校準(zhǔn)是筆者在裝調(diào)飛機(jī)一個必不可少的一個重要步驟，校準(zhǔn)的手動操作為：請在60秒內(nèi)轉(zhuǎn)動PIX飛控，每個軸至少轉(zhuǎn)一次，即俯仰360度一次，橫滾360度一次，水平原地自轉(zhuǎn)360度一次，如果上而加速度校準(zhǔn)的那個方盒子還沒拆除，那么就是每個而對著地而放一次，每個而自轉(zhuǎn)360度一次；如果是外置羅盤，請轉(zhuǎn)動外置羅盤。羅盤校準(zhǔn)如圖1所示。

二、PIXHAWK調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)

在筆者調(diào)試軟件的過程中難免會出現(xiàn)有的地方會出錯，在面板中就會顯示相應(yīng)的錯誤報警。例如為什么會出現(xiàn)Bad Compass Health，GPS是有信號的，但是羅盤出問題了，那么出現(xiàn)這種情況有一下幾個可能，以及相應(yīng)的解決措施。電壓供電不足，那么這個時候就需要拿萬用表檢查電壓供電情況；看羅盤是否校準(zhǔn)，如果沒有校準(zhǔn)的話就得重新進(jìn)行校準(zhǔn)；如果校準(zhǔn)，那用的外置羅盤還是內(nèi)置羅盤；如果用的是外置羅盤的話就需要把跳線拔掉，跳線在主板上；接線問題，看是否有將線接錯或者接反，一定要注意電源線，如果將其與地線接反的話就會被燒掉，導(dǎo)致羅盤不能使用；還要看是否有接觸不良現(xiàn)象，這也會導(dǎo)致羅盤不能使用。

為了在調(diào)試過程中更好地去開發(fā)此飛控和調(diào)試的軟件功能，筆者要去更精確的調(diào)試，有時會出現(xiàn)GPS 定位精度的問題。出現(xiàn)上面的問題的時候教師最好是重新校準(zhǔn)一下，或者更換固件版本，最好是將所有的都校準(zhǔn)，然后建議清除EPROMM。

三、常用飛行模式

此開源飛控具有10種飛行模式，主要是為了適應(yīng)于飛機(jī)所運(yùn)用的某一行業(yè)開發(fā)的。每個模式都有相應(yīng)的功能，筆者在調(diào)試過程中根據(jù)所需要的模式再去制定。以下稱相應(yīng)的模式。

1.穩(wěn)定模式（Stabilize）

目前使用最多的、最基本的飛行模式是穩(wěn)定模式，主要應(yīng)用于起飛和降落。此模式一般是初學(xué)者進(jìn)行飛行的首選，因其飛控會讓飛行器保持穩(wěn)定，并且也是FPV第一視角飛行的最佳模式。應(yīng)急時一定要確保遙控器上的開關(guān)誤地?fù)艿皆撃Ｊ健?/p>

2.定高模式（ALT_HOLD）

該模式將采用自動油門，要保持目前的高度飛行。即使在定高模式下，提高或降低油門還是可以控制飛行高度的，但需要注意在操作過程中會產(chǎn)生一個油門“死區(qū)”，油門動作幅度超過這個死區(qū)時，無人機(jī)才會達(dá)到相應(yīng)的升降高度，并以當(dāng)前高度為基準(zhǔn)，油門將被用來作為基準(zhǔn)（調(diào)整油門保持高度）。確保無人機(jī)在懸停在一個穩(wěn)定的高度（在進(jìn)入高度保持前）。隨著飛行時間增加，不良飛行器參數(shù)將得到補(bǔ)償，飛機(jī)就基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此飛行器迅速下降或上升產(chǎn)生的主要原因是飛行器的中性懸停位置，將會導(dǎo)致。

3.懸停模式（Loiter）

懸停模式是氣壓定高模式加GPS定點(diǎn)的組合。在起飛前應(yīng)先讓GPS定點(diǎn)，搜索到衛(wèi)星，防止發(fā)生空中定位突然出現(xiàn)問題。

4.簡單模式（Simple Mode）

該模式相當(dāng)于一個“無頭模式”，每個“飛行模式”的周圍都有一個“Simple Mode”復(fù)選框可供選擇。當(dāng)選擇“簡單模式”時，飛行器將解鎖起飛前的機(jī)頭指向，同時遙控器前行搖桿的指向?qū)⒂善痫w前的機(jī)頭指向恒定決定。

5.返航模式（RTL）

無人機(jī)返航時需要“GPS”定位?！癎PS”在每次解鎖前的定位點(diǎn)，就是無人機(jī)返航到的目的地的位置；一旦飛行器進(jìn)入返航模式后，飛機(jī)將自動升高到15米，然后保持在當(dāng)前高度，然后自動飛回“最初”起飛位置，同時也可以設(shè)置高級參數(shù)來確定返航點(diǎn)，進(jìn)而確定是是否自主降落，或者懸停多少秒之后再自動降落。

6.繞圈模式（Circle）

當(dāng)選擇“繞圈模式”時，飛機(jī)將以當(dāng)前位置為圓心進(jìn)行繞圈飛行。飛行時飛機(jī)的將機(jī)頭始終朝向“圓心”，同時該模式下的機(jī)頭將不受遙控器方向舵的控制和影響。當(dāng)操縱遙控器，發(fā)出俯仰和橫滾指令時，飛行模式的圓心會被改變。此時需要調(diào)整油門來調(diào)整無人機(jī)的飛行高度，但降落是不允許的?？梢酝ㄟ^改變圓的半徑參數(shù)設(shè)置來調(diào)整。

四、小結(jié)

本文介紹了基于無人機(jī)飛控APM-PIXHAWK飛控系統(tǒng)基本原理和飛控面板的介紹，飛控的性能特點(diǎn)，以及飛控調(diào)試的過程中的羅盤校準(zhǔn)，飛行模式的注解，PIXHAWK的疑難雜癥解決方案，通過系統(tǒng)的詳細(xì)介紹，從而大大提高了開源飛控在商業(yè)市場上的應(yīng)用性能，多功能的開發(fā)此類飛控，讓無人機(jī)在各個領(lǐng)域的用用價值。同時通過羅盤的校準(zhǔn)介紹，可以讓無人機(jī)在飛行過程的姿態(tài)更加穩(wěn)定，更適合的去完成相關(guān)作業(yè)。飛控的飛行模式設(shè)置中要適當(dāng)去選擇該飛機(jī)所運(yùn)用的那種類型比如“航拍”選擇、懸停模式Loiter、穩(wěn)定模式Stabilize、8繞圈模式Circle。在無人機(jī)組裝調(diào)試中引進(jìn)開源飛控，不但提高了飛機(jī)的穩(wěn)定性能，而且還提高了無人機(jī)的多元化硬件的開發(fā)應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用價值。目前高效性、穩(wěn)定性、高效性的飛控研究開發(fā)，解決了目前無人機(jī)在飛控行業(yè)的更好地把開源飛控運(yùn)用到市場上。

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（作者單位：北京電子科技職業(yè)學(xué)院）endprint