您不能不知道的幾大無人機飛控系統

在上一節無人機飛控方案文章中，小編我為大家講解了幾個工業級、農業植保無人機應用方案例子，那麼今天小編我還是為大家帶來幾個開源無人機平台、軟硬體平台、技術特徵、使用感測器及其運用優缺點的對比介紹，供大家學習參考。

APM 是在2007年由DIY無人機社區（DIY Drones）推出的飛控系統。也是迄今為止最為成熟的開源自動導航系統，可支持多旋翼、固定翼、直升機和無人駕駛車等無人設備。

APM 基於Arduino的開源平台，對多處硬體做出了改進，包括加速度計、陀螺儀和磁力計組合慣性測量單元(IMU)。由於APM良好的可定製性，APM在全球航模愛好者範圍內迅速傳播開來。通過開源軟體Mission Planner，開發者可以配置APM的設置，接受並顯示感測器的數據，使用Google map 完成自動駕駛等功能，但是Mission Planner僅支持windows操作系統。

目前，APM飛控已經成為開源飛控成熟的標杆，針對多旋翼 APM飛控支持各種四、六、八軸產品，並且連接外置GPS感測器以後能夠增穩，並完成自主起降、自主航線飛行、回家、定高、定點等豐富的飛行模式。APM能夠連接外置的超聲波感測器和光流感測器，在室內實現定高和定點飛行。

APM系列發展至今，APM2.5 和 APM2.6已經是ardupilot飛控最終版本，APM給我們帶來非常強大的功能，非常的成熟可靠，潛能被充分挖掘出來，功能也非常的豐富。但源於APM系列8位CPU計算與存儲的能力已經遠遠不能夠滿足未來的運用需求了，APM系列產品的終結也是勢在必行。

APM 系列支持如下自動導航板

· PX4 – 一款32位基於ARM的自動導航儀，支持很多高級特性，使用NuttX實時操作系統

· APM2 – 一款受歡迎的AVR2560 8位自動導航儀

· APM1（已終止開發） – 一款基於AVR2560的自動導航儀，使用分離式結構

由於 ArduPilot/APM 源碼基於 AP-HAL 硬體抽象層編寫，使代碼能支持更多自動導航板變為可能。

APM 開發語言與工具：

用於ArduPilot/APM的主要飛行代碼使用C++編寫。支持工具使用多語言編寫，最常用的是python。

目前，主要載具代碼編寫為「.pde」文件，由 Arduino 構建系統得來。pde文件是預處理為.cpp文件構建的一部分。pde文件中包含的聲明也能提供構建規則，說明需要包含與連接到哪些庫。

地面站：

ArduPilot/APM支持多種地面站用於計劃與控制飛行。飛行固件使用MAVLink協議，它允許飛機被任何MAVLink兼容設備控制。

· 使用最廣泛的地面站就是 Mission Planner，使用用於 Windows 的C#語言編寫。Mission Planner 的源碼可以在github上查看。Mission Planner 也能通過 mono 運行在 Linux 與 MacOS 上。

· QGroundControl 也是地面站的一個選擇，使用C++的Qt庫編寫

· 對於面相命令行與可編腳本地面站，你可以使用 MAVProxy

· 對於 android 平板，你可以使用 ArdroPilot 或者 DroidPlanner

主控晶元：AvrAtmega1280/2560

主要感測器：Atmega168/328.雙軸陀螺，IMU（單軸陀螺，三軸加速度計。三軸磁力計模塊）。氣壓計.AD晶元

編譯環境：Arduino IDE

開發語言：arduino

開發軟體：Arduino IDE界面友好簡單，Arduino語言類似於C語言

採用演算法：兩級PID控制方式，第一級是導航級，第二級是控制級

硬體平台：APM2.5： 板載電子羅盤；APM2.6：電子羅盤外置和GPS融合了

優缺點：

優勢：

1. APM使用人數多，資料豐富齊全，特別是經典款APM2.5，上手快

2. 功能完全滿足使用

3. apm固件相對PX4成熟

4. 有震動，姿態的日誌記錄，出現問題有據可查

劣勢：

1. 處理器相比F407落後，但是夠用

2. 感測器分散，集成度不高

二、開源 PX4 / PIXHAWK 系列

PX4 系列:

PIXHAWK 是根據飛控設計需求，結合PX4系列飛控發展而來的PX4飛控單塊電路板版本， PX4 系列最初有兩個版本：PX4FMU與PX4IO。

PX4是一個由Lorenz Meier所在的瑞士小組所開發的學校項目，其擁有一個32位處理器，提供更多內存、運用分佈處理方式並且包含一個浮點運算協處理器。相比APM，PX4 具有相對於前者10倍以上的CPU性能及其他更多方面的改進，Diydrones和3DRobotics把PX4系統視作他們下一代飛控的基礎。

PIXHAWK 系列：

由3DR聯合APM小組與PX4小組於2014年推出的PIXHAWK飛控是PX4飛控的升級版本，擁有PX4和APM兩套固件和相應的地面站軟體。該飛控是目前全世界飛控產品中硬體規格最高的產品，也是當前愛好者手中最炙手可熱的產品。

PIXHAWK擁有168MHz的運算頻率，並突破性地採用了整合硬體浮點運算核心的Cortex-M4的單片機作為主控晶元，內置兩套陀螺和加速度計MEMS感測器，互為補充矯正，內置三軸磁場感測器並可以外接一個三軸磁場感測器，同時可外接一主一備兩個GPS感測器，在故障時自動切換。

基於其高速運算的核心和浮點演算法，PIXHAWK使用最先進的定高演算法，可以僅憑氣壓高度計便將飛行器高度固定在1米以內。它支持目前幾乎所有的多旋翼類型，甚至包括三旋翼和H4這樣結構不規則的產品。它使飛行器擁有多種飛行模式，支持全自主航線、關鍵點圍繞、滑鼠引導、「FollowMe」、對尾飛行等高級的飛行模式，並能夠完成自主調參。

PIXHAWK飛控的開放性非常好，幾百項參數全部開放給玩家調整，靠基礎模式簡單調試后亦可飛行。PIXHAWK集成多種電子地圖，愛好者們可以根據當地情況進行選擇。PIXHAWK被定位為下一代無人機飛控，系統具備的所有特徵，均符合未來無人機飛控系統未來發展的基礎需求，未來將會有更大的發展空間。

處理器

32位 STM32F427 ARM Cortex M4 核心外加 FPU（浮點運算單元）

168 Mhz/256 KB RAM/2 MB 快閃記憶體

32位 STM32F103 故障保護協處理器

感測器

Invensense MPU6000 三軸加速度計/陀螺儀

ST Micro L3GD20 16位陀螺儀

ST Micro LSM303D 14位加速度計/磁力計

MS5611 MEAS 氣壓計

電源

良好的二極體控制器，帶有自動故障切換

舵機埠7V高壓與高電流輸出

所有的外圍設備輸出都有過流保護，所有的輸入都有防靜電保護

介面

5個UART串口，1個支持大功率，兩個有硬體流量控制

Spektrum DSM/DSM2/DSM-X 衛星輸入

Futaba SBUS輸入（輸出正在完善中）

PPM sum 信號

RSSI（PWM或者電壓）輸入

I2C, SPI, 2個CAN, USB

3.3 與 6.6 ADC 輸入

尺寸

重量 38g

長 81.5 mm x 寬 50 mm x 高 15.5 mm

Pixhawk 的介面分配

PWM，PPM-SUM和SBUS模式下的舵機與電調的連接方法

Pixhawk 介面圖

* 備註：上圖中針腳1在右邊

串口 1 (Telem 1)，串口 2 (Telem 2) ，串口 (GPS) 針腳： 6 = GND, 5 = RTS, 4 = CTS, 3 = RX, 2 = TX, 1 = 5V.

三、開源 OpenPilot / Taulabs 系列

OpenPilot是由OpenPilot社區於2009年推出的自動駕駛儀項目，旨在為社會提供低成本但功能強大的穩定型自動駕駛儀。這個項目由兩部分組成，包括OpenPilot自駕儀與其相配套的軟體。其中，自駕儀的固件部分由C語言編寫，而地面站則用C++編寫，並可在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統上運行。

OpenPilot的最大特點是硬體架構非常簡單，從它目前擁有的眾多硬體設計就可以看出其與眾不同之處。官方發布的飛控硬體包括CC、CC3D、ATOM、Revolution、Revolution nano等，衍生硬體包括Sparky、Quanton、REVOMINI等，甚至包含直接使用STM32開發板擴展而成的FlyingF3、FlyingF4、DescoveryF4等，其中CC3D已經是300mm以下軸距穿越機和超小室內航模的首選飛控，而DiscoveryF4被大量用於愛好者研究飛控，Quanton更是成為了Taulabs的首選硬體。

下面我們來說說Openpilot旗下最流行的硬體CC3D。

此飛控板只採用一顆72MHz的32位STM32單片機和一顆MPU6000就能夠完成四旋翼、固定翼、直升機的姿態控制飛行（注意，該硬體可進行的是三自由度姿態控制，而不是增穩），電路板大小隻有35mm×35mm。

與所有開源飛控不同，它不需要GPS融合或者磁場感測器參與修正，就能保持長時間的姿態控制。以上所有功能全部使用一個固件，通過設置便可更改飛機種類、飛行模式、支持雲台增穩等功能。

其編譯完的固件所需容量只有大約100KB，代碼效率令人驚嘆，是所有飛控程序員學習的楷模。其地面站軟體集成了完整的電子地圖，可以通過電台實時監測飛機狀態。

TauLabs飛控是OpenPilot飛控的衍生產品。當前TauLabs最流行的硬體叫做Quanton，由原OpenPilot飛控小組成員獨立完成。

它繼承了OpenPilot簡單高效的特點，並擴展了氣壓高度計和三軸磁場感測器，將主控單片機升級為帶有硬體浮點運算的Cortex-M4核心。該飛控是最早支持自動調參的開源飛控產品，帶有模型辨識演算法，能夠在飛行中進行自整定姿態PID控制參數。TauLabs能夠完成許多高級飛行模式，連接外置GPS后可使多旋翼具備定高、定點、回家等功能。飛控集成了電子地圖，且界面非常友好，使用嚮導模式進行初始化，初學者可以簡單上手。

Multi Wii Copter（MWC）飛控是一款典型的Arduino衍生產品，是專為多旋翼開發的低成本飛控，它完整地保留了Arduino IDE開發和Arduino設備升級和使用的方法。由於成本低、架構簡單、固件比較成熟，因此該飛控在國內外擁有大量愛好者。除了支持常見的四、六、八旋翼以外，該飛控的最大特點是支持很多奇特的飛行器類型，比如三旋翼、阿凡達飛行器（BIcopter avatar style）、Y4型多旋翼（其中兩軸為上下對置）等，使得該飛控的開發趣味性較強，容易博得大家的喜愛。