總結(jié)

無人機(UAV)是利用無線電遙控設備和自帶程序控制裝置的無人飛行器，包括無人直升機、固定翼飛機、多旋翼飛機、無人飛艇和無人翼傘飛機。廣義上也包括空 (20-100 km 空域附近的飛行器，如平流層飛艇、高空空氣球、太陽能無人機等。從某個角度來看，無人機無需駕駛就能完成復雜空的飛行中任務和各種載荷任務，可視為“空中機器人”。

飛控系統(tǒng)是無人機完成起飛、空飛行、執(zhí)行任務、返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)。無人機的飛行控制相當于載人飛機的飛行員，因此我們認為它是無人機的核心技術之一。飛行控制一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設備三部分，其功能主要包括無人機姿態(tài)穩(wěn)定與控制、無人機任務設備管理和應急控制。飛行控制根據(jù)源代碼是否公開分為開源飛行控制和商品飛行控制:

(1)開源飛行控制

本著開源的精神，來自世界各地的精英們已經(jīng)開放了無人機的工作，主要包括Microcompter、Paparazzi、Autoquad、OpenPilot、MWC、KK、APM、PX4...Microcompter，paprazzi被認為是飛控開源的先驅(qū)，尤其是paprazzi以算法性強、穩(wěn)定性好著稱，下面還有很多版本，單片機采用ST和恩智浦方案。在基于Arduino的開發(fā)之后，用戶數(shù)量最多的APM逐漸過渡到PX4/Pixhawk平臺，采用雙st單片機、冗余電源和傳感器的方案，以滿足未來更苛刻的需求和功能。

(2)商品飛行控制

國外沒有著名的商業(yè)飛控，但是國內(nèi)有很多，比如DJI，極限飛行，零度，一航...看外殼，DJI采用恩智浦方案(可以和狗仔隊比)、極限飛行ST、零度有個AT91+FPGA、一航(呵呵，好像是APM，但不開放)，都可以從開源飛控中找到自己的影子，只要貨有。

1)添加漂亮的外殼，特別是鋁合金；

2)增加了優(yōu)化算法。比如DJI好像有個H ∞的；

3)簡化參數(shù)調(diào)整和線束。

個人認為，商用飛控沒有核心技術，只是對開源飛控做了一個小的修改，簡單易用。這本書主要講一個開源飛控的代表，Pixhawk和Paparazzi。

1.1皮克斯霍克飛行控制

Pixhawk飛控采用Pixhawk作為飛行控制器。它是世界上最著名的開源飛行控制硬件制造商。3DR最近推出了最新一代的飛控系統(tǒng)，其前身是APM。由于APM處理器接近滿負荷，無法滿足更復雜的計算處理，硬件廠商采用最新標準的32位ARM處理器。第一代產(chǎn)品是PX4系列，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，但是布線很復雜，也可以和輸入輸出接口板PX4IO一起使用。但是由于沒有統(tǒng)一的shell，很難修復，使用也比較復雜，基本屬于一代實驗版。通過PX4系列的經(jīng)驗，廠商最終簡化了結(jié)構(gòu)，將PX4FMU和PX4IO集成在一塊板上，并增加了骨狀外殼，對硬件和布線進行優(yōu)化，這就是第二代產(chǎn)品Pixhawk。

Pixhawk的所有硬件都是透明的，一目了然的使用了什么芯片和傳感器，所有的總線和外設都是引出的，不僅可以和以后的其他外設兼容，還為有開發(fā)能力的用戶提供了方便。Pixhawk是雙處理器飛行控制器，32位TM 32 F 427 Cortex M4核168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash處理器，協(xié)處理器32位STM 32 F 103，主要用于工業(yè)。其特點是安全穩(wěn)定。所以即使主處理器崩潰，也有協(xié)處理器保證安全。

1 . 1 . 1 pix hawk的特性

Pixhawk是一款低成本高性能的自動駕駛儀。它繼承和完善了APM和PX4的優(yōu)點。本項目源于蘇黎世聯(lián)邦理工學院計算機視覺與幾何實驗室、自治系統(tǒng)實驗室和自動控制實驗室的PIXHAWK項目。它擁有ST公司的先進處理器和傳感器技術，以及NuttX實時操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)驚人的性能、靈活性和可靠性來控制任何自主飛機。Pixhawk系統(tǒng)的優(yōu)勢包括:集成多線程，類似于Unix/Linux編程環(huán)境；新的自動駕駛功能，如任務和飛行行為的Lua腳本；定制PX4驅(qū)動程序?qū)?，確保所有任務的嚴格計時。這些高級功能確保您的飛機沒有任何限制。Pixhawk允許現(xiàn)有的APM和PX4無縫過渡到系統(tǒng)，降低了新用戶參與自主飛行精彩世界的準入門檻。

1 . 1 . 2 pix hawk的開發(fā)

Pixhawk飛控是PX4飛控系統(tǒng)的進一步發(fā)展。除了額外的輸入輸出、內(nèi)存和其他功能之外，Pixhawk還將PX4-FMU控制器和PX4-輸入輸出集成在一個電路板上。Pixhawk是正版第三代飛控系統(tǒng)(APM->:PX4->；Pixhawk).我們的飛行導航軟件經(jīng)過高度優(yōu)化，實現(xiàn)了飛機的控制和自動飛行。目前它的性能有足夠的剩余，所以未來幾年Pixhawk系統(tǒng)可以繼續(xù)有效使用。

1.2狗仔隊飛行控制

狗仔隊(PPZ)是一個開源的軟硬件項目。它始于2003年，旨在通過社區(qū)的建議和鼓勵，建立一個非常強大和靈活的自動駕駛系統(tǒng)。是一個完整成熟的解決方案，不僅涵蓋了飛機的硬件和軟件，包括傳感器、調(diào)壓器、GPS接收機、自動駕駛軟件和算法；同時；它還包括地面站的相關軟件和硬件；包括各種調(diào)制解調(diào)器；天線和其他設備。同時，它還有一個不斷發(fā)展的用戶友好的地面控制站軟件。

裝備PPZ的無人機的體系結(jié)構(gòu)可以理解為在普通飛機(普通航模飛機)上增加自動飛控板、相關傳感器和無線Modem，在航模飛機上增加遙控單元標準，同時配置地面控制站(PC、調(diào)制解調(diào)器和天線)，使飛機通過接收地面站的指令最終實現(xiàn)自動駕駛飛行或自主調(diào)整姿態(tài)。

PPZ系統(tǒng)的關鍵特點是利用紅外傳感器和慣性測量傳感器，通過計算提供強大而準確的姿態(tài)估計，使飛機無需地面人工控制和標定，就能自動調(diào)整飛行狀態(tài)?？刂破髦恍枰诘孛嬲窘o飛機設置任務，剩下的就交給飛機自己完成了。所有飛行控制、導航、姿態(tài)調(diào)整、任務執(zhí)行等。由飛行控制板自動完成。當然，地面人員可以隨時在自動控制和手動控制之間切換。

1.2.1靈活的PPZ

通過不同的設置，PPZ既可以用于驅(qū)動固定翼飛機，也可以用于驅(qū)動旋翼機。PPZ的靈活性體現(xiàn)在可以根據(jù)應用特點和側(cè)重點(飛行速度、飛行距離、lag 空時間、載重量和價格)選擇不同的飛機，配置不同的飛控板、傳感器、通信模塊和外設。

它的飛控板不僅僅只有一個型號，經(jīng)過多年的發(fā)展演變，從PPZ的飛控板衍生出了十幾個型號。這些飛控板是在不同年代設計的，不斷改進和演變，為了不同的目的增減機載接口和模塊，衍生出不同的型號。比如2013年夏天發(fā)布的Lisa/S飛控板，重量只有2.8克，是世界上最輕的通用飛控板。與此相關，PPZ有一個很大的硬件兼容性列表，涵蓋了不同廠商的各種模塊，如傳感器(紅外、陀螺儀、GPS、慣性測量、空速度)、調(diào)制解調(diào)器、遙控器、模擬/數(shù)字視頻系統(tǒng)、天線等。

類似于組裝一臺臺式電腦，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇相關配置，搭建一個地面空無人機系統(tǒng)，配置可以極其靈活。以通訊模塊為例:如果只在視線范圍內(nèi)玩，可以省略GPS，配置一個短距離2.4G調(diào)制解調(diào)器，純手動控制；如果想實現(xiàn)遠程全自主駕駛，可以配置GPS和遠程無線調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)回傳和控制；如果在電信運營商信號覆蓋的區(qū)域內(nèi)玩，可以使用3G通信模塊向地面站傳輸數(shù)據(jù)。

除了硬件列表中列出的設備，PPZ的大部分飛控板也有GPIO接口，所以外部設備可以通過編程控制。最常見的例子是控制外部攝像頭進行航拍。在無人機的設計、裝配和調(diào)試過程中，所有的配置數(shù)據(jù)都是通過一個管理中心系統(tǒng)(Paparazzi Center)進行配置，并以xml文件的形式存儲。

1 . 2 . 2 ppz數(shù)據(jù)共享

PPZ不同于常見的純粹以代碼為中心的開源軟件項目。它不僅使用Github托管代碼，還使用硬件原理圖的CAD設計稿等設計數(shù)據(jù)。PPZ的成功運營需要對主板、各種外圍傳感器和轉(zhuǎn)向電機進行適配、校正和調(diào)試，對航空空飛機進行適當?shù)膮?shù)設置，需要一定的經(jīng)驗。PPZ將其主網(wǎng)站建設成一個WIKI，讓任何人都可以注冊一個賬號，編輯和改進條目，補充和分享自己的經(jīng)驗。這樣，PPZ匯集了來自世界各地的精英愛好者的智慧，以及各種第一手實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。另外，由于開源的優(yōu)勢，PPZ可以利用開源社區(qū)的各種優(yōu)質(zhì)軟件(如gpsd)，避免重復勞動，專注于自動導航的研究與實現(xiàn)。開放讓PPZ發(fā)展非常強勁。

1 . 2 . 3 ppz在行業(yè)中的地位和影響

PPZ在行業(yè)內(nèi)口碑很高，多次獲得多項榮譽。目前，PPZ官網(wǎng)最新消息顯示，在不久前9月結(jié)束的國際微型飛機大會暨飛行大賽(IMAV 2013)中，PPZ駕駛的飛機獲得室外組第一名，室內(nèi)組運行第一名，室內(nèi)自主控制第三名。其中使用了最新的Lisa/S飛控板，僅重2.8克。可見PPZ在行業(yè)內(nèi)的廣泛應用及其實力。

毫無疑問，幾乎所有從事無人機項目的公司都學習和理解了PPZ項目。所以，如果一個企業(yè)想做無人機相關的研發(fā)，PPZ應該會給予很大的幫助和啟發(fā)。估計一般公司完全獨立于PPZ做一個能和PPZ比的系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果初創(chuàng)公司根據(jù)PPZ的全開源軟硬件設計和兼容硬件列表找到一個載體(或者自己設計一個)，并進行適當?shù)倪m配，就可以快速推出自己的產(chǎn)品——這往往是初創(chuàng)公司推出產(chǎn)品的捷徑。但需要注意的是，由于PPZ是開源的，競爭對手可以推出類似的同質(zhì)產(chǎn)品，如何在PPZ的光環(huán)之外打造自己的特色，往往是這些企業(yè)最重要的考慮因素。

1.2.4人們?nèi)绾伍_始使用PPZ

PPZ非常適合模特愛好者和極客。對于個人DIY愛好者來說，PPZ官網(wǎng)的wiki知識庫已經(jīng)覆蓋了所有需要的基礎知識，所以官網(wǎng)應該是一個不錯的起點。國內(nèi)一些模聯(lián)論壇，很多玩家交流分享了經(jīng)驗，可以上去找找。在一條褲子上搜索PPZ也能帶出很多視頻，都是資深玩家貢獻的知識。

對于初級個人玩家來說，Ubuntu Linux作為官方推薦的地面站操作系統(tǒng)和編譯環(huán)境，可能需要一段時間的適應。此外，各種傳感器和電路板也是一個棘手的問題。與開源軟件不同，開源硬件的成本只有一臺電腦和一些帶寬。畢竟硬件買焊接電路板需要花錢買真材實料，門檻略高。如果玩家只想體驗組裝、調(diào)試、飛行的樂趣，官網(wǎng)有賣控制板和配套硬件的廠商(國外廠商很多)；另外，Lisa/M的飛控板也是在某寶上看到的，或許可以試試。

PPZ項目是一個開放的大型無人機知識庫，個人、公司、研究機構(gòu)都可以從中受益匪淺。相信未來PPZ將在無人機領域發(fā)揮更大的影響力，進一步引領無人機領域。

來源:無人機和模型飛機技術