PX4無(wú)人機(jī)飛控選擇入門(mén)詳解

PX4是與平臺(tái)無(wú)關(guān)的自動(dòng)駕駛儀軟件(或稱為固件)，可以驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)或無(wú)人車。它可以被燒寫(xiě)在某些硬件(如Pixhawk v2)，并與地面控制站在一起組成一個(gè)完全獨(dú)立的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。 ? ?

PX4地面控制站被稱為QGroundControl，是PX4自駕系統(tǒng)不可分割的一部分，可以運(yùn)行在Windows，OS X或Linux等多個(gè)平臺(tái)。 ? 使用QGroundControl，您可以將PX4固件燒寫(xiě)到硬件，設(shè)置機(jī)器，改變不同的參數(shù)，獲得實(shí)時(shí)航班信息，創(chuàng)建和執(zhí)行完全自主的任務(wù)。

圖1 QGroundControl 主界面 ?

(一)無(wú)人機(jī)PX4基本概念

機(jī)器頭朝向 不論是船還是飛行器都應(yīng)該有機(jī)器頭朝向或定義其前向運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)闄C(jī)器頭方向。清楚機(jī)器頭方向，以保證自駕儀同機(jī)器運(yùn)動(dòng)向量相一致極為重要!

圖2 不同飛行器頭機(jī)體坐標(biāo) 盡管對(duì)于多軸無(wú)人機(jī)來(lái)講自身因?yàn)橛休^高的對(duì)稱性而導(dǎo)致機(jī)器頭方向不明顯，但通常制造商會(huì)通過(guò)使用有顏色的槳或機(jī)臂來(lái)標(biāo)示機(jī)器頭朝向。本文的插圖我們使用紅色槳來(lái)標(biāo)示多軸飛行器頭朝向。 ?

圖3 不同飛行器頭朝向

PX4連接

為了能夠?qū)δ腜X4無(wú)人駕駛儀進(jìn)行配置、控制及交互，需要先對(duì)其進(jìn)行連接。對(duì)于Pixhawk硬件有三種類型的連接： （1）遙控連接 – 通過(guò)無(wú)線電實(shí)現(xiàn)遙控器對(duì)飛控的連接。 （2）數(shù)據(jù)連接 – 使用數(shù)傳、WiFi或者USB線對(duì)QGroundControl地面站和無(wú)人機(jī)進(jìn)行的連接。 （3）機(jī)外連接 – PX4和外部能夠控制PX4的微機(jī)之間的數(shù)據(jù)連接。 ? 遙控 對(duì)于無(wú)人機(jī)最基本的控制形式就是使用遙控器。目前有很多類型的遙控器，這里我們將通過(guò)使用最流行的飛行器遙控器進(jìn)行講解。遙控器“MODE 1”和遙控器“MODE 2”之間的區(qū)別是根據(jù)不同人的用手偏好，將油門(mén)通道放在左側(cè)或右側(cè)。建議您進(jìn)行嘗試后再?zèng)Q定購(gòu)買(mǎi)以上兩種類型遙控器中的哪一種。

圖4 左圖右手油門(mén)，右圖左手油門(mén)

基本的飛行

為了控制您的飛行器，您需要知道并深刻理解基本的橫滾(Roll)、俯仰(Pitch)、偏航(Yaw)和油門(mén)(Throttle)指令及這些指令在三維空間施加到飛行器上所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)效果。

圖5 橫滾、俯仰、偏航、油門(mén)指令對(duì)應(yīng)通道 以上指令被施加可懸停飛行器如直升機(jī)、多旋翼上和被施加到前向飛行飛行器如固定翼飛行器上，飛行器會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。 可懸停飛行器(如直升機(jī)、多旋翼或垂直起降無(wú)人機(jī))的基本運(yùn)動(dòng)：

圖6 控制指令對(duì)四旋翼控制效果圖 需要牢記的是對(duì)于可懸停飛行器(多軸無(wú)人機(jī)，直升機(jī))而言，橫滾指令會(huì)產(chǎn)生左移/右移飛行效果；俯仰指令會(huì)產(chǎn)生前進(jìn)/后退飛行效果；偏航指令會(huì)產(chǎn)生基于飛行器中心點(diǎn)左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)飛行效果。

圖7 控制指令對(duì)固定翼控制效果圖 需要牢記的是對(duì)于前向飛行飛行器(固定翼無(wú)人機(jī))而言，橫滾指令會(huì)產(chǎn)生左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)彎飛行效果；俯仰指令會(huì)產(chǎn)生上升/下降飛行效果；偏航指令會(huì)產(chǎn)生尾翼的左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)彎飛行效果。 使用以上4種基本的命令您可以在空中任何方向操控您的無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行。最重要的是您將可以進(jìn)行飛行器中最重要的飛行操作 - 起飛和降落。 ?

(二)PX4無(wú)人機(jī)機(jī)架選擇

機(jī)架選型 如果您計(jì)劃在無(wú)人機(jī)上使用PX4.在選機(jī)架之前，首先您應(yīng)該回答的問(wèn)題就是您的無(wú)人機(jī)的用途是什么。是用來(lái)完成某種工作還是只是為了娛樂(lè)?續(xù)航時(shí)間和覆蓋范圍要求是多少? 如果需要精準(zhǔn)的懸停功能并且可以接受較短的續(xù)航時(shí)間，建議選用多旋翼無(wú)人機(jī); 如果對(duì)續(xù)航時(shí)間和覆蓋范圍要求較高的話，建議選用固定翼無(wú)人機(jī); 有一種混合類型的飛行器叫“垂直起降飛行器”，它可以像多旋翼一樣垂直起飛，起飛完成后變成像固定翼飛行器一樣前向飛行。 垂直起降飛行器集多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼多旋翼無(wú)人機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身，具有比多旋翼無(wú)人機(jī)更長(zhǎng)的續(xù)航、更大的覆蓋范圍以及與固定翼無(wú)人機(jī)相比具有精準(zhǔn)懸停的能力。 越來(lái)越多類型的機(jī)架已經(jīng)被調(diào)整地可以使用PX4進(jìn)行完美飛行，例如DJI F450也就是風(fēng)火輪F450機(jī)架。 具體有哪些飛控參數(shù)需要被調(diào)整以及如何調(diào)整這些參數(shù)以達(dá)到完美飛行，我們會(huì)在逐步深入講解中一一道來(lái)。

圖1 四旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架示意圖 (橙色三角指向?yàn)闄C(jī)器頭朝向，四個(gè)電機(jī)箭頭方向?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)向) ?

機(jī)架配置

一旦選中并購(gòu)買(mǎi)或組裝了機(jī)架后，在對(duì)無(wú)人機(jī)的飛控初始化階段，你需要從地面站QGroundControl中眾多的機(jī)架模板中選擇一款和你使用的構(gòu)造類似的機(jī)架。

圖2 地面站QGroundControl中機(jī)架模板 ?

(三)PX4無(wú)人機(jī)飛控選擇

Pixhawk飛控

第一代Pixhawk飛控 所謂無(wú)人機(jī)的飛控，就是無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)飛控能夠穩(wěn)定無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，并能控制無(wú)人機(jī)自主或半自主飛行，是無(wú)人機(jī)的大腦。 Pixhawk是第一款專門(mén)為PX4自駕軟件而設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)飛控。第一個(gè)版本的Pixhawk被命名為Pixhawk v1.也被稱作FMUv1.它包含PX4FMU和PX4IO兩部分。PX4FMU是Pixhawk v1飛控的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)姿態(tài)解算等等算法的執(zhí)行；PX4IO主要負(fù)責(zé)飛控各外設(shè)接口的管理。

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PX4FMU

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PX4IO 第二代Pixhawk飛控 繼FMUv1飛控之后，第二代飛控被稱為Pixhawk v2或FMUv2. 在FMUv2這個(gè)版本飛控中，第一代中的PX4FMU和PX4IO被合并到了一個(gè)PCB上，成為了真正的一體化飛控。

Pixhawk v2 Pixhawk v2是當(dāng)前最流行的Pixhawk飛控。 Pixhawk v2.4.5是Pixhawk v2的子版本。 開(kāi)源硬件概念 Pixhawk飛控是開(kāi)源硬件架構(gòu)，所以全世界很多公司出品了基于Pixhawk的飛控產(chǎn)品。他們都有共同的硬件架構(gòu)和相同的連接方式、輸出接口及功能，僅僅是具體形式不同而已，例如接口的位置不同、外殼不同等等。 下面是一些衍生的Pixhawk控制器。 HKPilot32

Pixfalcon

AUAV-X2

所有的Pixhawk飛控都有同樣的連接方式和設(shè)置流程。 注：除了PX4這款自駕儀軟件，還有一種飛行協(xié)議棧(或稱自駕儀軟件)可以被燒寫(xiě)到Pixhawk飛控，那就是非常流行的ArduPilot或稱為APM的自駕儀軟件。因此很多人覺(jué)得很困惑并以為把Pixhawk同APM相提并論是不對(duì)的。 請(qǐng)牢記，Pixhawk飛控是硬件平臺(tái)，而PX4和APM都是開(kāi)源的可以燒寫(xiě)到Pixhawk飛控中的自駕儀軟件。 高通驍龍無(wú)人機(jī)飛控

無(wú)人機(jī)畢竟只是飛行平臺(tái)，在飛行過(guò)程中，通常有很多的如圖像分析、避障以及許多的在線服務(wù)和系統(tǒng)集成等任務(wù)需要處理。 在驍龍飛控誕生之前，通常是使用樹(shù)莓派之類的微處理器與飛控協(xié)同工作，這種通常的集成方式有時(shí)很繁瑣，對(duì)于普通用戶而言很難成功實(shí)現(xiàn)。 高通公司解決了這個(gè)集成難的問(wèn)題，并且真正地實(shí)現(xiàn)了把用于處理多任務(wù)的微處理器和飛控處理器集成到了一塊電路板上。 高通驍龍無(wú)人機(jī)飛控 這款飛控?fù)碛兴暮?a target="_blank">CPU、一個(gè)功能的GPU以及很多的攝像頭和傳感器。它可以在使用PX4自駕儀軟件控制飛行器飛行的同時(shí)，還可以作為微機(jī)處理很多額外的任務(wù)。 ?

(四)PX4無(wú)人機(jī)傳感器選擇

無(wú)人機(jī)傳感器簡(jiǎn)介 由于Pixhawk飛控已經(jīng)內(nèi)置了傳感器，PX4自駕儀完全可以在飛控沒(méi)有任何外部傳感器的情況下完成對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制。 Pixhawk飛控內(nèi)置了三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)+三軸磁力計(jì)+氣壓計(jì)傳感器(氣壓計(jì)被用于獲取無(wú)人機(jī)高度信息)。 強(qiáng)烈建議在機(jī)上安裝GPS來(lái)釋放飛行器的全部潛力，并且安裝GPS后無(wú)人機(jī)可以在全自動(dòng)模式下完成任務(wù)。 GPS/COMPASS ? 由于Pixhawk內(nèi)置的磁力計(jì)非常靠近其他的電子器件，所以它很容易受到電磁干擾。 為了減小這種干擾，通常可在飛控上再外接一個(gè)磁力計(jì)，并且盡量將該磁力計(jì)遠(yuǎn)離飛行器上其他電子器件。 空速傳感器對(duì)于大部分的固定翼無(wú)人機(jī)及垂直起降無(wú)人機(jī)而言都是必須配備的?？账賯鞲衅髦匀绱酥匾?，是因?yàn)槌丝账儆?jì)外PX4自駕儀沒(méi)有其他的手段來(lái)檢測(cè)失速。推薦使用數(shù)字空速傳感器。 空速計(jì) ? 無(wú)人機(jī)測(cè)距 隨著時(shí)間的推移，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來(lái)越多廉價(jià)的激光雷達(dá)測(cè)距儀。這些傳感器通常被用于在無(wú)人機(jī)降落的最后階段進(jìn)行高度精準(zhǔn)測(cè)量，也可以被用于無(wú)人機(jī)避障。 PulsedLight發(fā)布了型號(hào)為L(zhǎng)idar-Lite2激光雷達(dá)測(cè)距儀，這款很經(jīng)濟(jì)的測(cè)量設(shè)備被廣泛運(yùn)用在無(wú)人機(jī)等各種應(yīng)用場(chǎng)景。它可以測(cè)量距離、速度和從0到40米距離內(nèi)的合作及非合作目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度。與同類發(fā)射單一光束的測(cè)距傳感器相比，該設(shè)備性能較好。 Lidar-Lite2 ? 無(wú)人機(jī)定位 在飛控外接了GPS模塊，且GPS信號(hào)良好的情況下，無(wú)人機(jī)可以融合GPS信號(hào)信息進(jìn)行定位。但在沒(méi)有GPS信號(hào)的的情況下，通常光流傳感器被用來(lái)作為定位設(shè)備。 PX4FLOW

集成了聲吶傳感器的光流智能攝像頭可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤。聲吶和攝像頭的信息被送到Pixhawk飛控進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以實(shí)現(xiàn)定位功能。 ?

(五)PX4自駕儀初步配置

QGroundControl下載&安裝 環(huán)境 硬件：PC/Mac/移動(dòng)終端、Pixhawk飛控 軟件：QGroundControl地面站 固件：PX4 QGroundControl支持列表

QGroundControl運(yùn)行在以上列表平臺(tái)設(shè)備上，PX4固件運(yùn)行在Pixhawk飛控上。 地面站連接飛控示意圖

使用電腦或移動(dòng)終端下載對(duì)應(yīng)平臺(tái)的QGroundControl地面站，完成QGroundControl安裝后，連接Pixhawk飛控，就可以開(kāi)始對(duì)自駕儀PX4進(jìn)行配置了。 ? 對(duì)PX4自駕儀的配置，請(qǐng)熟練掌握以下幾個(gè)知識(shí)： （1）機(jī)架選型，可以選擇直升機(jī)、多旋翼、垂直起降無(wú)人機(jī)等等； （2）校準(zhǔn)自駕儀的傳感器并選擇正確的自駕儀放置方位； （3）校準(zhǔn)遙控器； （4）配置遙控器上的開(kāi)關(guān)來(lái)控制飛行模式。 除此之外，還有很多項(xiàng)是可以使用地面站進(jìn)行配置的，但以上幾步是必不可少的。 ? ? QGroundControl視頻教程 視頻教程中主要內(nèi)容如下： 1、固件升級(jí)

2、機(jī)架選型

3、傳感器校準(zhǔn)

4、遙控器校準(zhǔn)

5、飛行模式通道設(shè)置

注意：待地面站每一個(gè)選項(xiàng)卡右側(cè)的紅點(diǎn)變成綠點(diǎn)后表示該項(xiàng)校準(zhǔn)完成，如未變成綠色，需要重復(fù)校準(zhǔn)。 ?

(六)PX4無(wú)人機(jī)飛行模式配置

飛行模式配置步驟 環(huán)境 硬件：PC/Mac/移動(dòng)終端、Pixhawk飛控、遙控器 軟件：QGroundControl地面站 固件：PX4 飛行模式?jīng)Q定了飛控如何響應(yīng)用戶的控制信號(hào)。 PX4自駕儀支持多種飛行模式，但在實(shí)際使用中并需要配置那么多飛行模式，按需配置即可。 飛行模式配置步驟： 使用USB線或數(shù)傳連接pixhawk和QGroundControl; 使用QGroundControl配置所需PX4飛行模式(具體操作見(jiàn)下文); 使用遙控器或地面站控制PX4無(wú)人機(jī)飛行模式的切換。 注：如果遙控器和地面站同時(shí)連接了飛控，遙控器和地面站都可以切換飛控飛行模式。 ? 針對(duì)上文配置步驟中的第2點(diǎn)：使用QGroundControl配置所需PX4飛行模式。在此進(jìn)行詳細(xì)講解。 使用QGroundControl可以指定遙控器的一個(gè)或多個(gè)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)pixhawk飛控飛行模式的切換。通常把遙控器三段開(kāi)關(guān)的每一段分配一種飛行模式，通過(guò)撥動(dòng)該開(kāi)關(guān)達(dá)到切換飛行模式的目的。 如下圖所示，選中通道，并指定該通道在不同數(shù)值范圍的飛行模式即可。 單通道控制飛行模式

多通道控制飛行模式

在地面站中的飛行模式界面中為每種飛行模式選擇對(duì)應(yīng)的遙控器通道，通過(guò)改變遙控器的通道值達(dá)到對(duì)飛行模式控制的目的。 飛行模式通道設(shè)置截圖

注意：待地面站每一個(gè)選項(xiàng)卡右側(cè)的紅點(diǎn)變成綠點(diǎn)后表示該項(xiàng)配置完成，如未變成綠色，需要重復(fù)操作。 ?

(七)PX4無(wú)人機(jī)硬件連接

PX4無(wú)人機(jī)硬件連接

Note: The image above is from 3DR. 飛控(Pixhawk) 電源模塊(Power Module) 電池(Battery) 電池報(bào)警器(Battery Warning) 電調(diào)(ESC) 電機(jī)(Motor) 脈位調(diào)制信號(hào)接收器(PPM Sum Receiver) 遙控器接收器(Remote Controller Receiver) 遙控器發(fā)射器(Transmitter) 全球定位系統(tǒng)接收器和電子羅盤(pán)(GPS & Compass) 蜂鳴器(Buzzer) 安全開(kāi)關(guān)(Switch) 數(shù)傳(Telemetry) 平板電腦(Tablet) 云臺(tái)(Gimbal) 相機(jī)(Camera) ? 以上設(shè)備清單中各項(xiàng)設(shè)備的作用和工作原理都比較容易理解，這里只對(duì)清單中標(biāo)綠的幾項(xiàng)進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明，破除知識(shí)盲點(diǎn)，避免入坑。 電池報(bào)警器 作用：本質(zhì)上是電壓檢測(cè)器，其主要目的是防止鋰電池過(guò)放; 工作原理：電池報(bào)警器可以自動(dòng)檢測(cè)鋰電池總電壓和每個(gè)電芯的電壓，當(dāng)電壓低于該報(bào)警器設(shè)定電壓值，就會(huì)觸發(fā)蜂鳴器鳴叫報(bào)警。 電機(jī) 作用：為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力; 說(shuō)明：上圖是一個(gè)航拍四旋翼的方案，所以只有4個(gè)電機(jī)，但Pixhawk飛控目前最多支持接入8個(gè)電機(jī)。一旦確定飛控的位置后，電機(jī)的轉(zhuǎn)向就確定了，如果出現(xiàn)非理想電機(jī)轉(zhuǎn)向，只需交換電機(jī)三根線中的任意兩根即可。 脈位調(diào)制信號(hào)接收器 作用：將遙控器接收器的多路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路PPM信號(hào)并輸出給Pixhawk; 工作原理：通常遙控器接收器輸出的信號(hào)是PWM信號(hào)，而Pixhawk無(wú)法解碼PWM信號(hào)，所以需要PPM模塊將遙控器接收器的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成PPM信號(hào)并輸出給Pixhawk。但這個(gè)單獨(dú)的PPM模塊并不是必須的，因?yàn)橛行┻b控器接收器本身就可以輸出Pixhawk可以解碼的PPM信號(hào)。 電子羅盤(pán) 作用：為無(wú)人機(jī)提供方位數(shù)據(jù); 說(shuō)明：Pixhawk飛控本身具有電子羅盤(pán)，然而內(nèi)置電子羅盤(pán)易受電機(jī)及其他電路干擾，外接電子羅盤(pán)通常被放置在電磁干擾比較小的位置，以獲得更可信的方位數(shù)據(jù)，強(qiáng)烈推薦安裝外置羅盤(pán)。 平板電腦 作用：無(wú)人機(jī)地面站軟件運(yùn)行硬件平臺(tái); 工作原理：地面站可以通過(guò)數(shù)傳對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行設(shè)置和控制，由于地面站支持多平臺(tái)，所以也可以使用PC或Mac等代替平板電腦。 ?

(八)PX4無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行

飛行任務(wù)規(guī)劃 PX4無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)規(guī)劃非常簡(jiǎn)單，只需要點(diǎn)擊QGroundControl地面站最上面一排選項(xiàng)卡切換到任務(wù)視圖(選項(xiàng)卡變成黃色表示被選中)，點(diǎn)擊左上角的(加號(hào))圖標(biāo)，然后點(diǎn)擊屏幕地圖即可進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。 任務(wù)規(guī)劃前任務(wù)視圖

需要注意的是，只需要點(diǎn)擊一次左上角加號(hào)，就可以通過(guò)在屏幕上進(jìn)行連續(xù)多次點(diǎn)擊設(shè)置多個(gè)航點(diǎn)，按照航點(diǎn)順序會(huì)自動(dòng)生成航線。 每個(gè)航點(diǎn)信息會(huì)顯示在地面站右側(cè)，同時(shí)可以編輯航點(diǎn)的停留時(shí)間、相對(duì)高度等信息。 例如下圖中無(wú)人機(jī)將在航點(diǎn)6停留0秒，相對(duì)歸航點(diǎn)(Home Position)的高度為25米。

任務(wù)視圖底部顯示的是每個(gè)航點(diǎn)和上一個(gè)航點(diǎn)的相對(duì)距離(Distance)、相對(duì)高度(Alt diff)、傾斜度(Gradient)等信息。 例如航點(diǎn)1和航點(diǎn)2的相對(duì)距離為176.76米，相對(duì)高度為25米，則傾斜度為tanα=25/176.76≈14%。 以上操作后，點(diǎn)擊左上角任務(wù)發(fā)送按鈕(Send To Vehicle)，即可將規(guī)劃好的任務(wù)發(fā)送給無(wú)人機(jī)。 發(fā)送飛行任務(wù)到無(wú)人機(jī)

完成上述任務(wù)規(guī)劃及任務(wù)上傳后，將地面站切換到飛行視圖，解鎖PX4無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)即可自動(dòng)按照規(guī)劃好的任務(wù)路徑進(jìn)行飛行，地面站將實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)飛行軌跡。 ? QGroundControl地面站進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但在飛行任務(wù)執(zhí)行階段需要確保場(chǎng)地滿足飛行要求，以保證安全飛行。 ?

編輯：黃飛

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