一台自主飞行的无人机是怎么组成的？（硬件篇）

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一台无人机可大致分为硬件平台和软件功能模块组成，硬件是功能的载体，当然还有做科研实验比较重要的仿真系统，这里所说的仿真系统是指三维  Gazebo  仿真系统，用于验证飞行逻辑，规避炸机风险，验证视觉算法、节约实验成本，通过仿真的环境搭建，可以快速完成原型方案的迭代。实现功能仿真和真实飞行的联合开发。
关于仿真的操作，可参考教程：
今天我们先来讨论下无人机的硬件平台主要是由哪些模块组成的。
根据个人经验大体总结如下，PS：由于笔者经验有限，如有表述不对的地方，欢迎纠正。
组装一台自主无人机飞行平台，硬件可以大致分为五部分：
1、无人机机身
2、飞控计算机
3、感知和任务管理计算机/机载电脑
4、环境感知传感器
5、组网链路
其相互之间大致工作原理如下图：





1.无人机机身（无人机机身包括：机架、动力系统（电机，电调，桨、电池）、分电板）
机架：一般来说，机架越大，飞机越稳定。室内的旋翼机，一般不会超过 450 轴距，做的越小越难（参数难调，整体系统搭建困难）。如果会一些简单的绘图工具可以自行设计机架，这样做的好处是，可以自行留出安装孔位来安装机载电脑和传感器。市面上大部分机架没有 预留机载电脑和传感器的位置，都需要自行设计和安排。
动力系统：推荐 T-motor
电池推荐：格式
阿木实验室也有一款方便二次扩展的机架，预留了机载电脑和传感器的位置，机身采用的碳纤维材质，做科研避免不了磕磕碰碰，机身强度不够，会给以后的调试工作带来很多麻烦！碳纤维材质相比其他材质来讲更加耐摔，耐炸。


2.飞控计算机：（飞控计算机由单片机和对应的实时操作系统（APM固件/PX4固件）担任，要求就是实时性强，任务执行频率上百赫兹，可以快速的控制电器系统，强调响应的实时性和相对简单可靠，确保被控对象的平衡稳定。）


市场上比较常见的型号举例:pixhawk2.4.8  pixhawkV4   pixhawkV2   pixhawkV5。笔者知道的几家公司有赫星，雷讯，合力兄弟（此处推荐的为开源飞控）
pixhawk2.4.8作为比较经典的版本，价格亲民，推荐入门的同学可以选择这款，但因为硬件版本问题不能烧写最新的固件，但最为入门学习的话，也是够用的。
pixhawkV4和pixhawkV5相对来说对PX4固件兼容更好，pixhawkV2相对来说对APM固件兼容更好，可根据自身开发需求选择。

3.感知和任务管理计算机也叫机载电脑：（由PowerPC，DSP，Arm，X86构架的CPU来担任，通常都是计算性能强大，并且运行之上的操作系统可靠如(VxWorks)等。负责运算和决策，完成复杂计算，和环境感知的工作。通常这种任务计算复杂，某些情况下也要求较高的任务执行频率。）


常见的机载电脑举例：树莓派，odroid，英伟达的 TX1 TX2，DJI 的妙算主机（TK1），Intel 的 joule 570X（X86 构架），Intel 的 NUC （x86 构架）。
简单来说，只要能装 ubuntu 系统的板卡就行，ros 系统和 mavros 功能包对硬件的要求不高。 所以树莓派这个级别（几百元左右）的板卡就行。但是如果还有其他一些代码要运行在机载电脑中时。机载电脑的选择考虑三个方面，按照优先级分为：处理能力>尺寸（重量）>接口> 功耗。
(1)处理能力
机载电脑的处理能力影响代码运行的速度。简单来说，越贵的一般处理能力越强。所以这里自己权衡，能够满足自己需求且价格上能接受的就好。对于视觉方面的应用，英伟达的板卡都带 gpu，处理视觉代码会有优势（但前提是你会用 gpu）。
(2)尺寸（重量）
尺寸和重量影响无人机的续航和机架尺寸选择。越轻越小越有优势。机载电脑太沉可能小机架（250 轴距以下）无法起飞。
(3)接口
接口并不要求有多丰富，满足自身要求即可。首先与飞控连接需要一个串口或者 usb。其次
要满足所搭载传感器对接口的要求，usb3.0？网口？等等。
（4)功耗
功耗影响电池，从而也影响无人机续航（如果用同一块电池供电的话）。首先机载电脑需要
设计无人机机上供电，需要考虑无人机的电池电压和机载电脑的输入电压是否匹配。其次功
耗大可能会浪费过多电池电量，但这块开发者可以忽略，因为实验产品不需要强调长续航，
电池能够飞个 5 分钟，保证一次实验或一次演示的电就行。

4.环境感知传感器：（环境感知设备，激光定高雷达，360度旋转式激光雷达，T265双目VIO摄像头，D435I等等、不一一举例，这些传感器数据感知周围环境，构建出地形图，通过激光/视觉等。是无人机自主飞行控制的前提条件。）


(1)结构光深度传感器：参考型号英特尔D435I
功能：可用于室内导航与三维重建，参考算法 ORB-SLAM2 、RTAB_MAP
(2)二维激光雷达：参考型号思岚S1
功能：2D 激光室内导航定位与建图，参考算法 cartographer  VHF
(3)双目视觉：参考型号英特尔T265
功能：双目室内无GPS环境下定位 参考算法ORB-SLAM2
传感器还有很多，这里就不一一说明了，具体选择时可参考机载电脑考虑因素，作用，尺寸、重量这些因素。
5.组网链路
对于普通航模来说，飞机模型在操控者的视野内飞行，并由操控者实时控制，也可不使用数传与地面通讯。但对于无人机来说，我们还是希望飞机能通过数传或通过4G模块实时将飞机状态回传到地面站。最终达到的就是飞机与电脑间的通讯，电脑给飞机的任务，飞机实时飞行高度，速度等很多数据都会通过它来传输，以方便我们时时监控飞机情况，根据需要随时修改飞机航向。这也是我们在地面可以直接操控飞机的一个基础。如果飞机上搭载有摄像头等设备，需要将图像也回传到地面端时就需要加上图传设备，当然也有图数传一体的组网链路。
常见数传类型有数传电台，WiFi数传，4G数传。这几种类型的数传链路都可以实现地面站和飞机之间的数据传输，只是实现方式不同。



(1)数传电台：一般的数传电台采用的接口协议有TTL接口、RS485接口和RS232接口，不过也有一些CAN-BUS总线接口，频率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的较多，因为433MHZ是个开放的频段，再加上433MHZ波长较长，穿透力强等优势所以大部分民用用户一般都是用的433MHZ，距离在5千米到15千米不等，甚至更远。
电台需要一对，也就是移动端一个，地面端一个。
(2)WiFi数传：通过WIFI热点的方式实现数传传输，将无人机和地面端连接同一热点。弊端是WIFI数传传输距离不是很远。优点是组网方便，只要设备连接同一热点，即可组网。

(3)4G数传：4G数传的优势在于传输距离不受限制，只要有4G网络的地方，飞机和地面站都可以连接进行数据传输。只是每年会有一定服务器费用，当然也有免费的服务器，只是延迟相对会大一些。
(4)图传：图传可以将带有摄像头的无人机飞行时拍摄的实时画面传回到地面端，相对数传来说，带宽要求会大很多，如果带宽太小，传输视频延迟好几秒，那效果可想而知。
以上所有硬件产品，都可在阿木实验室淘宝店铺一站式采购。极速完成一台自主飞行的无人机。
无人机软件功能模块和三维仿真系统也会陆续更新，关于上述内容如果有感兴趣的同学欢迎留言交流。

—飞狐—

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