隨著無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在影視航拍、地理勘察、公共安全等領(lǐng)域有著不同程度的發(fā)揮。而說(shuō)起無(wú)人機(jī)，最為核心的技術(shù)之一莫過(guò)于飛控技術(shù)，它的技術(shù)發(fā)展，影響著無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制。
目前市場(chǎng)上常用的飛控，包括開(kāi)源飛控和閉源飛控。由于閉源飛控開(kāi)發(fā)者有限，我們這里就重點(diǎn)為大家介紹一下開(kāi)源飛控。所謂開(kāi)源飛控就是建立在開(kāi)源思想基礎(chǔ)上的飛行自主控制器項(xiàng)目(Open Source AutoPilot)，同時(shí)包含開(kāi)源軟件和開(kāi)源硬件，而軟件則包含飛控硬件中的固件和地面站軟件。
一、開(kāi)源飛控發(fā)展
第一代開(kāi)源飛控系統(tǒng)使用Arduino或其他類(lèi)似開(kāi)源電子平臺(tái)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展連接各種MEMS傳感器，能夠讓無(wú)人機(jī)能平穩(wěn)地飛起來(lái)。主要特點(diǎn)是模塊化和可擴(kuò)展能力。
第二代開(kāi)源飛控系統(tǒng)大多擁有自己的開(kāi)源硬件、開(kāi)發(fā)環(huán)境和社區(qū)，采用全集成的硬件架構(gòu)。主要特點(diǎn)是高度集成、高可靠，其功能已經(jīng)接近商業(yè)自動(dòng)駕駛儀。
第三代開(kāi)源飛控系統(tǒng)將會(huì)在軟件、人工智能以及云應(yīng)用方面進(jìn)行革新。加入集群飛行、圖像識(shí)別、自主避障、自動(dòng)跟蹤飛行等高級(jí)飛行功能，向機(jī)器視覺(jué)、集群化、開(kāi)發(fā)過(guò)程平臺(tái)化的方向發(fā)展。
二、開(kāi)源飛控介紹
Arduino飛控
Arduino 是最早的開(kāi)源飛控，由Massimo Banzi、David Cuartielles、Tom Igoe、Gianluca Martino、David Mellis 和 Nicholas Zambetti于2005年在意大利交互設(shè)計(jì)學(xué)院合作開(kāi)發(fā)而成。Arduino公司首先為電子開(kāi)發(fā)愛(ài)好者搭建了一個(gè)靈活的開(kāi)源硬件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以從Arduino官方網(wǎng)站取得硬件的設(shè)計(jì)文檔，調(diào)整電路板及元件，以符合自己實(shí)際設(shè)計(jì)的需要。
Arduino可以通過(guò)與其配套的Arduino IDE軟件查看源代碼并上傳自己編寫(xiě)的代碼，Arduino IDE使用的是基于C語(yǔ)言和C++的Arduino語(yǔ)言，十分容易掌握，并且Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。
隨著該平臺(tái)逐漸被愛(ài)好者所接受，各種功能的電子擴(kuò)展模塊層出不窮，其中最為復(fù)雜的便是集成了MEMS傳感器的飛行控制器。為了得到更好的飛控設(shè)計(jì)源代碼，Arduino公司決定開(kāi)放其飛控源代碼，他們開(kāi)啟了開(kāi)源飛控的發(fā)展道路。著名的開(kāi)源飛控WMC和APM都是Arduino飛控的直接衍生產(chǎn)品，至今仍然使用Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
APM飛控
APM(ArduPilotMega)是在2007年由DIY無(wú)人機(jī)社區(qū)(DIY Drones)推出的飛控產(chǎn)品，是當(dāng)今最為成熟的開(kāi)源硬件項(xiàng)目。APM基于Arduino的開(kāi)源平臺(tái)，對(duì)多處硬件做出了改進(jìn)，包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)組合慣性測(cè)量單元(IMU)。由于APM良好的可定制性，APM在全球航模愛(ài)好者范圍內(nèi)迅速傳播開(kāi)來(lái)。通過(guò)開(kāi)源軟件Mission Planner，開(kāi)發(fā)者可以配置APM的設(shè)置，接受并顯示傳感器的數(shù)據(jù)，使用google map 完成自動(dòng)駕駛等功能，但是Mission Planner僅支持windows操作系統(tǒng)。
目前APM飛控已經(jīng)成為開(kāi)源飛控成熟的標(biāo)桿，可支持多旋翼、固定翼、直升機(jī)和無(wú)人駕駛車(chē)等無(wú)人設(shè)備。針對(duì)多旋翼，APM飛控支持各種四、六、八軸產(chǎn)品，并且連接外置GPS傳感器以后能夠增穩(wěn)，并完成自主起降、自主航線飛行、回家、定高、定點(diǎn)等豐富的飛行模式。APM能夠連接外置的超聲波傳感器和光流傳感器，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)定高和定點(diǎn)飛行。
PX4和PIXHAWK
PX4是一個(gè)軟硬件開(kāi)源項(xiàng)目(遵守BSD協(xié)議)，目的在于為學(xué)術(shù)、愛(ài)好和工業(yè)團(tuán)體提供一款低成本、高性能的高端自駕儀。
這個(gè)項(xiàng)目源于蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)與幾何實(shí)驗(yàn)室、自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室的PIXHawk項(xiàng)目。PX4FMU自駕儀模塊運(yùn)行高效的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，Nuttx提供可移植操作系統(tǒng)接口(POSIX)類(lèi)型的環(huán)境，軟件可以使用USB bootloader更新。
PX4通過(guò)MAVlink同地面站通訊，兼容的地面站有QGroundControl和Mission Planner，軟件全部開(kāi)源且遵守BSD協(xié)議。
由3DR聯(lián)合APM小組與PX4小組于2014年推出的PIXHawk飛控是PX4飛控的升級(jí)版本，擁有PX4和APM兩套固件和相應(yīng)的地面站軟件。該飛控是目前全世界開(kāi)源飛控產(chǎn)品中硬件規(guī)格最高的產(chǎn)品，也是當(dāng)前愛(ài)好者手中最炙手可熱的產(chǎn)品。
PIXHawk擁有168MHz的運(yùn)算頻率，并突破性地采用了整合硬件浮點(diǎn)運(yùn)算核心的Cortex-M4的單片機(jī)作為主控芯片，內(nèi)置兩套陀螺和加速度計(jì)MEMS傳感器，互為補(bǔ)充矯正，內(nèi)置三軸磁場(chǎng)傳感器并可以外接一個(gè)三軸磁場(chǎng)傳感器，同時(shí)可外接一主一備兩個(gè)GPS傳感器，在故障時(shí)自動(dòng)切換。
基于其高速運(yùn)算的核心和浮點(diǎn)算法，PIXHawk使用最先進(jìn)的定高算法，可以?xún)H憑氣壓高度計(jì)便將飛行器高度固定在1米以?xún)?nèi)。它支持目前幾乎所有的多旋翼類(lèi)型，甚至包括三旋翼和H4這樣結(jié)構(gòu)不規(guī)則的產(chǎn)品。它使飛行器擁有多種飛行模式，支持全自主航線、關(guān)鍵點(diǎn)圍繞、鼠標(biāo)引導(dǎo)、“FollowMe”、等高級(jí)的飛行模式，并能夠完成自主調(diào)參。
PIXHawk飛控的開(kāi)放性非常好，幾百項(xiàng)參數(shù)全部開(kāi)放給玩家調(diào)整，靠基礎(chǔ)模式簡(jiǎn)單調(diào)試后亦可飛行。PIXHawk集成多種電子地圖，愛(ài)好者們可以根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行選擇。
Openpilot
OpenPilot是由OpenPilot社區(qū)于2009年推出的自動(dòng)駕駛儀項(xiàng)目，旨在為社會(huì)提供低成本但功能強(qiáng)大的穩(wěn)定型自動(dòng)駕駛儀。這個(gè)項(xiàng)目由兩部分組成，包括OpenPilot自駕儀與其相配套的軟件。其中，自駕儀的固件部分由C語(yǔ)言編寫(xiě)，而地面站則用C++編寫(xiě)，并可在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。
OpenPilot的最大特點(diǎn)是硬件架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，從它目前擁有的眾多硬件設(shè)計(jì)就可以看出其與眾不同之處。官方發(fā)布的飛控硬件包括CC、CC3D、ATOM、Revolution、Revolution nano等，衍生硬件包括Sparky、Quanton、REVOMINI等，甚至包含直接使用STM32開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展而成的FlyingF3、FlyingF4、DescoveryF4等，其中CC3D已經(jīng)是300mm以下軸距穿越機(jī)和超小室內(nèi)航模的首選飛控，而DiscoveryF4被大量用于愛(ài)好者研究飛控，Quanton更是成為了Taulabs的首選硬件。
Multiwiicopter
Multi Wii Copter(MWC)飛控是一款典型的Arduino衍生產(chǎn)品，是專(zhuān)為多旋翼開(kāi)發(fā)的低成本飛控，它完整地保留了Arduino IDE開(kāi)發(fā)和Arduino設(shè)備升級(jí)和使用的方法。由于成本低、架構(gòu)簡(jiǎn)單、固件比較成熟，因此該飛控在國(guó)內(nèi)外擁有大量愛(ài)好者。除了支持常見(jiàn)的四、六、八旋翼以外，該飛控的最大特點(diǎn)是支持很多奇特的飛行器類(lèi)型，比如三旋翼、阿凡達(dá)飛行器(BIcopter avatar style)、Y4型多旋翼(其中兩軸為上下對(duì)置)等，使得該飛控的開(kāi)發(fā)趣味性較強(qiáng)，容易博得大家的喜愛(ài)。
KK飛控
KK飛控是源于韓國(guó)的一款開(kāi)源飛控項(xiàng)目，也是第一種廣為大眾接受的多旋翼飛控，在開(kāi)源飛控發(fā)展的初期，該飛控的橫空出世對(duì)整個(gè)四旋翼行業(yè)是一種震撼。
該飛控只使用三個(gè)成本低廉的單軸陀螺，配合一臺(tái)最簡(jiǎn)單的四通道遙控設(shè)備，就能控制常見(jiàn)的三、四、六旋翼飛行器，并且支持“十字”型，X型、H型和上下對(duì)置等多種布局。該飛控使用三個(gè)可調(diào)電阻調(diào)整感度作為調(diào)參方法，保留了早期航模陀螺儀的特征。作為多旋翼飛控起始的重要見(jiàn)證，這款“古董”級(jí)經(jīng)典飛控，依然擁有眾多玩家。
Paparazzi
Paparazzi(PPZ)是一個(gè)軟硬件全開(kāi)源的項(xiàng)目，它始于2003年，開(kāi)發(fā)目標(biāo)是建立一個(gè)配置靈活且性能強(qiáng)大的開(kāi)源飛控項(xiàng)目。PPZ的一大特點(diǎn)是，該開(kāi)源飛控方案中除了常見(jiàn)的飛控硬件、飛控軟件和地面站軟件之外，還包含地面站硬件，包括各種調(diào)制解調(diào)器、天線等設(shè)備。從功能上講，PPZ已經(jīng)接近一個(gè)小型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)了。
該開(kāi)源項(xiàng)目的另一個(gè)特點(diǎn)是采用ubuntu操作系統(tǒng)，它將全部地面站軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境集成于該系統(tǒng)下，官方稱(chēng)之為L(zhǎng)ive CD。一張CD加飛控硬件就可完成從開(kāi)發(fā)到使用的全部工作。
PPZ目前最流行的硬件版本是Paparazzi(PPZ)Lisa/Mv2.0。該硬件擁有大量的擴(kuò)展接口，并且使用可擴(kuò)展的單獨(dú)的IMU傳感器板。這也是早期開(kāi)源飛控比較流行的做法，這樣可以像DIY臺(tái)式計(jì)算機(jī)那樣，隨著傳感器升級(jí)而不斷升級(jí)IMU硬件。
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