張祖航+++曹著明+++薛翼飛

摘 要：對于復雜的無人機結(jié)構(gòu)和原理，四旋翼無人機具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)勢，同時也是最先進入民品市場的機型。可是，該無人機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。由于無人機飛控的發(fā)展，有效提升了多旋翼無人機、固定翼無人機、車模和直升機等設備的性能，使其具備多種運行模式，其功能已接近商業(yè)自動駕駛儀標準。本文通過研究APM-PIXHAWK開源飛控的性能以及原理和相應的飛控調(diào)試中的出現(xiàn)問題，提出相關提升其性能的策略，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，更好地為無人機行業(yè)做出貢獻。

關鍵詞：無人機 飛控 開源 APM 研究

從無人機的硬件設施來分析，飛控系統(tǒng)主要包括傳感器、飛控計算機及伺服裝置三部分。整個無人機機載飛控系統(tǒng)的核心設備是飛控計算機，其主要功能是依據(jù)輸入的相關信息（傳感器等）、儲存的相關數(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，然后輸出給伺服運行機構(gòu)即舵機系統(tǒng)，來操縱控制無人機的舵面、前輪和發(fā)動機的風門，以實現(xiàn)對無人機的飛行或地面滑跑的控制。無人機相關的狀態(tài)信息主要由測定裝置負責測量，無人機的主要測量裝置有：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)動機轉(zhuǎn)速）等。以舵機為執(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，可應用于多旋翼、固定翼、車模、直升機等，同時還可以搭配多款功能強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自動控制系統(tǒng)，適合個人組建自己的無人機駕駛系統(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)接近滿負荷，不能夠滿足更復雜的運算處理，因此硬件廠商采用了目前最新標準的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系列可以單獨使用PX4FMU，但是接線的方式還是較為復雜，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，保護了里面的電路控制系統(tǒng)，并改進了硬件和走線設施，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，所有的總線和外設都進行引出，不但可以兼容一些其他外設，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，一個擅長于強大運算的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，它的特點就是安全穩(wěn)定。所以就算主處理器死機了，還有一個協(xié)處理器來保障安全。

1.性能特點

APM-PIXHAWK的特點是：免費的開源程序，支持多種載機。ArduPlane模式支持固定翼飛機，Arducoper模式支持直升機與多旋翼（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，鼠標點擊操作就可以進行設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；地面站的任務規(guī)劃器支持上百個三維航點的自主飛行設置，并且只需要通過鼠標在地圖上點擊操作就行；基于強大的MavLink協(xié)議，支持雙向遙測和實時傳輸命令；多種免費地面站可選，包括 Mission Planner，HK GCS等，還可以使用手機上的地面站軟件，地面站中可實現(xiàn)任務規(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。每個端口都有相應的作用。更好地適合于在無人機上面加更多的功能以及顯示飛機當前飛行狀態(tài)。它的技術規(guī)格、接口分配、PWM、PPM-SUM和SBUS模式下的舵機與電調(diào)的連接。

PIX飛控的側(cè)面部分主要的功能為：讓飛控恢復出廠設置和連接電腦軟件的USB端口進行調(diào)試。飛控調(diào)試以及TF卡槽和復位鍵，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：輸入輸出模塊復位按鈕；TF卡插槽；飛行控制模塊復位按鈕；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閉狀態(tài)，一共有三種顏色，分別為紅、黃、藍。以及相對應的指示作用。重要的是還可以得知飛控上的GPS是否搜索到衛(wèi)星信號，飛機羅盤是否校準。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；輔助輸出，6個PWM通道，用于其他擴展，例如舵機云臺。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)輸入端以及接收機輸入端。最左端是兩個接收機的兩個連接方式，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

羅盤校準的頁面跟面板上的加速度校準在同一個菜單欄下，然后點擊工nstall setup（初始設置）下的MandatoryHardware下拉菜單，選擇Compass菜單，按下圖勾選對應的設置以后點擊Live Calibrad（現(xiàn)場校準）。為了更好地讓無人機在空中穩(wěn)定的飛行，羅盤校準是筆者在裝調(diào)飛機一個必不可少的一個重要步驟，校準的手動操作為：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。羅盤校準如圖1所示。

二、PIXHAWK調(diào)試關鍵技術

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，如果沒有校準的話就得重新進行校準；如果校準，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，導致羅盤不能使用；還要看是否有接觸不良現(xiàn)象，這也會導致羅盤不能使用。

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一下，或者更換固件版本，最好是將所有的都校準，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，主要是為了適應于飛機所運用的某一行業(yè)開發(fā)的。每個模式都有相應的功能，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，主要應用于起飛和降落。此模式一般是初學者進行飛行的首選，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。應急時一定要確保遙控器上的開關誤地撥到該模式。

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，無人機才會達到相應的升降高度，并以當前高度為基準，油門將被用來作為基準（調(diào)整油門保持高度）。確保無人機在懸停在一個穩(wěn)定的高度（在進入高度保持前）。隨著飛行時間增加，不良飛行器參數(shù)將得到補償，飛機就基本處于穩(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，將會導致。

3.懸停模式（Loiter）

懸停模式是氣壓定高模式加GPS定點的組合。在起飛前應先讓GPS定點，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）

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

5.返航模式（RTL）

無人機返航時需要“GPS”定位。“GPS”在每次解鎖前的定位點，就是無人機返航到的目的地的位置；一旦飛行器進入返航模式后，飛機將自動升高到15米，然后保持在當前高度，然后自動飛回“最初”起飛位置，同時也可以設置高級參數(shù)來確定返航點，進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）

當選擇“繞圈模式”時，飛機將以當前位置為圓心進行繞圈飛行。飛行時飛機的將機頭始終朝向“圓心”，同時該模式下的機頭將不受遙控器方向舵的控制和影響。當操縱遙控器，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)設置來調(diào)整。

四、小結(jié)

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

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（作者單位：北京電子科技職業(yè)學院）endprint