PX4自駕儀入門(mén)詳解

(一)無(wú)人機(jī)PX4基本概念

1、PX4自駕儀 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，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)。 ? 2、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。

圖3 不同飛行器頭朝向? 3、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。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) 5、基本的飛行 為了控制好飛行器，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，直升機(jī)）而言：1）橫滾指令會(huì)產(chǎn)生左移/右移飛行效果；2）俯仰指令會(huì)產(chǎn)生前進(jìn)/后退飛行效果；3）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。

前向飛行器（如固定翼）的基本運(yùn)動(dòng)：

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：1）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；2）俯仰指令會(huì)產(chǎn)生上升/下降飛行效果；3）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

1、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？1）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)；2）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)；3）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（風(fēng)火輪F450）機(jī)架。

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） 2、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

1、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為Pixhawk v1，也被稱作FMUv1，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。?

PX4FMU

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PX4IO

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第二代Pixhawk飛控 第二代Pixhawk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。 ? 2、開(kāi)源硬件概念 ? Pixhawk飛控是開(kāi)源硬件架構(gòu)，全世界很多公司出品了基于Pixhawk的飛控產(chǎn)品：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。 ? 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。 3、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 1、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)。對(duì)于大部分的固定翼飛行器而言，空速器是必須配備的。 GPS/COMPASS ? 由于Pixhawk內(nèi)置的磁力計(jì)非?？拷渌?a target="_blank">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?？稍陲w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) ? 2、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；該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；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 ? 3、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

1、QGroundControl下載&安裝

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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

長(zhǎng)按下方二維碼打開(kāi)QGroundControl下載鏈接。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。? QGroundControl下載鏈接 ? 對(duì)PX4自駕儀的配置請(qǐng)熟練掌握以下幾個(gè)姿勢(shì)：

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

校準(zhǔn)自駕儀的傳感器并選擇正確的自駕儀放置方位

校準(zhǔn)遙控器

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。 ? ?

（六）PX4無(wú)人機(jī)飛行模式配置

1、飛行模式配置步驟

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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：1）使用USB線或數(shù)傳連接pixhawk和QGroundControl；2）使用QGroundControl配置所需PX4飛行模式；3）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。 2、飛行模式具體配置 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

1、PX4無(wú)人機(jī)硬件連接 ? ? 設(shè)備：

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）

2、填坑 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。

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（八）PX4無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃與執(zhí)行 1、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)規(guī)劃后任務(wù)視圖

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)

2、飛行任務(wù)執(zhí)行 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。 地面站飛行視圖

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。 審核編輯：黃飛

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