pixhawk,开源飞控之王

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无人机最重要，最核心的就是飞行控制单元简称 飞控。它是无人机安全执行飞行任务的核心。在市场上有 开源飞控 和 商业飞控 两类飞控。商业飞控就是由飞控厂家自行研发，设计的飞控，生产厂家有自己的知识产权，基本不对外公开飞控的程序信息。但是商业飞控往往简化了用户的安装，调试，使用时候的难度，这样也会使飞控的研发成本大大增加。所以往往商业飞控是开源飞控的数倍到数十倍。所以还有一类飞控是开源飞控。开源飞控是飞控的所有硬件设计图纸，地面站软件的源代码等等所有信息完全公开，任何有技术的人都可进行优化，甚至二次开发。

开源飞控里面应用最多，最广泛的就是 PIXHAWK 系列飞控，开发者在PIXHAWK基础上还开发的 pixhack，pixraptor，min pix等一系列衍生飞控。但是硬件核心都是完全一致，就是在外部接口上跟原版设计有所不同。

个人认为，商品飞控并不具备核心技术，只是在开源飞控上的小修小改，改的简单易用。本章主要介绍开源飞控的代表，APM、PX4 / PIXHAWK1和2。


APM飞控


主控：ATmega2560

传感器：MPU6000,MS5611气压计，HMC5833磁传感器

APM（ArduPilotMega） 是在2007年由DIY无人机社区（DIY Drones）推出的飞控产品，是当今较为成熟的开源硬件项目。APM基于Arduino的开源平台，对多处硬件做出了改进，包括加速度计、陀螺仪和磁力计组合惯性测量单元（IMU）。由于APM良好的可定制性，APM在全球航模爱好者范围内迅速传播开来。通过开源软件Mission Planner，开发者可以配置APM的设置，接受并显示传感器的数据，使用google map 完成自动驾驶等功能，但是Mission Planner仅支持windows操作系统。



　　曾经APM飞控已经成为开源飞控成熟的标杆，可支持多旋翼、固定翼、直升机和无人驾驶车等无人设备。针对多旋翼，APM飞控支持各种四、六、八轴产品，并且连接外置GPS传感器以后能够增稳，并完成自主起降、自主航线飞行、回家、定高、定点等丰富的飞行模式。APM能够连接外置的超声波传感器和光流传感器，在室内实现定高和定点飞行。

最新版本为APM2.6，使用了很流行的stm32f407单 片机，处理速度上了一个大台阶，摆脱了arduino的瓶颈，走向了发烧级的道路。


  PX4和PIXHAWK


主控：主处理器STM32F427，协处理器STM32F103

传感器：MPU6000,L3GD20,LSM303D,MS5611

PX4为3D Robotics公司旗下的飞控，由PX4FMU和PX4IO板两部分组成，后来又推出了Pixhawk飞控，其实就是把PX4FMU和PX4IO板结合在了一起，具有更高的集成度。

　　由3DR联合APM小组与PX4小组于2014年推出的PIXHawk飞控是PX4飞控的升级版本，拥有PX4和APM两套固件和相应的地面站软件。PIXHawk 拥有168MHz的运算频率，并突破性地采用了整合硬件浮点运算核心的Cortex-M4的单片机作为主控芯片，内置两套陀螺和加速度计MEMS传感器，互为补充矫正，内置三轴磁场传感器并可以外接一个三轴磁场传感器，同时可外接一主一备两个GPS传感器，在故障时自动切换。



　　基于其高速运算的核心和浮点算法，PIXHawk使用最先进的定高算法，可以仅凭气压高度计便将飞行器高度固定在1米以内。它支持目前几乎所有的多旋翼类型，甚至包括三旋翼和H4这样结构不规则的产品。它使飞行器拥有多种飞行模式，支持全自主航线、关键点围绕、鼠标引导、“FollowMe”、对尾飞行等高级的飞行模式，并能够完成自主调参。

PIXHawk飞控的开放性非常好，几百项参数全部开放给玩家调整，靠基础模式简单调试后亦可飞行。PIXHawk集成多种电子地图，爱好者们可以根据当地情况进行选择。


  PIXHAWK2


主处理器和协处理器和pixhawk1的没有什么区别，主板上有块气压计和IMU里面的气压计构成双气压计的设计，这部分主要用来优化气压定高的功能；



主要特点：

· IMU，FMU，底板分离，利于自定义硬件开发

· 三套IMU，两套气压计，IMU恒温，IMU减震措施非常好

· 爱迪生板卡，英伟达GPU接口预留，为视觉避障留有接口

· 外设接口更丰富，更牢固

· 板载电源设计的冗余度很高，飞控的硬件设计，实际很重要的工作是电源管理的设计





要说，PIXHAWK 的鼻祖是 PX4 飞控，那么PIXHAWK2就是PIXHAWK儿子，最新版本的PIXHAWK2在2016年推向市场，设计者进一步增强了开源飞控的可靠性：使用最新传感器，淘汰了比较老旧的传感器；增加了一套惯性测量单元，使PIXHAWK2具有三余度惯性测量单元；增加了 IMU 恒温控制；保证更加稳定的飞行。曾经被广泛用于学术研究， DIY 中的 PIXHAWK 一代，在第二代具备了更完善的性能和可靠的安全性，使得开源飞控具备了在更广泛的商业和行业用途中发挥作用的潜力。

飞控系统以典型代表性的Pixhawk为例，下图为装着SD卡的Pixhawk：



蜂鸣器：



安全开关：



电源模块



以及：一个SD卡USB适配器，一条Micro-USB线，两根6pin线，还有一些减震棉。

你还需要一个GPS模块，而且一个集成在GPS里面的罗盘可以更方便地降低外界的干扰。

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准备开始

你需要一个多轴飞行器： 请参照如何做一个你自己的多轴飞行器Wiki页面。

有了APM固件的帮助，Pixhawk可以把各种遥控飞机、飞行器、无人车变成一个全功能的无人飞行器。

在你拥有了一个完整安装好的多轴飞行器后，请按照以下步骤来安装你的Pixhawk。



在飞行器上安装Pixhawk

将Pixhawk与你的多轴飞行器连起来

加载固件至Pixhawk

校准你的飞行器

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在飞行器上安装Pixhawk

请使用双面减震棉把Pixhawk安装在飞行器上。

裁剪出四块约3/4平方英寸的减震棉，然后粘在Pixhawk的每一个角上。

最好将Pixhawk安放在模型的重心处。

确认Pixhawk的箭头标指向飞行器的机头。

不过你也可以把pixhawk安装在减震板上

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将Pixhawk与你的多轴飞行器连起来

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把PPM总线或者Futaba SBUS 接收线（黑色地线、红色电源线和白色信号线）接在最左边的RC接口上。

SB接口是给Futaba SBus预留的，功能尚未完善。

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对于Spektrum DSM，DSM2或者DSMX 卫星接收机，直接接在SPKT/DSM接口。

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把从（3DR）分线板引出的一根红黑两根的线接在Pixhawk的任意一个地线（-，黑线)和电源线（+，红线)输出针脚。



警告！供电接口必须有5V或者与你的舵机相对应的电压，不能直接与电池相连。

你可以使用ESC的5v电压BEC输出或者用于舵机的足够功率的单独UBEC供电。

这种接法是可选的，仅在用Pixhawk给外接舵机供电时才是必须的。

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对于飞行器，将每根信号线从PDB板与Pixhawk上其对应的信号针脚相连。

把每个电机的信号线与对应的信号针脚相连。



针脚 1 = 电机 1 – – 针脚 5 = 电机 5

针脚 2 = 电机 2 – – 针脚 6 = 电机 6

针脚 3 = 电机 3 – – 针脚 7 = 电机 7

针脚 4 = 电机 4 – – 针脚 8 = 电机 8



对于固定翼飞机，把每个通道的信号线与主信号输出针脚相连。



针脚 1 = 副翼

针脚 2 = 升降舵

针脚 3 = 油门

针脚 4 = 方向舵



对于无人车，把油门和方向的信号线与主信号输出针脚相连



针脚 3 = 油门

针脚 4 = 转向


当然接法不唯一，你也可以电机信号线分开接（首先要确定电调有EBC 5V电压输出），一条3针杜邦线分别为，信号-电源正极-地线，分别插在对应的插口上。

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加载固件至Pixhawk

APM固件是自动驾驶仪运行的大脑。

在加载固件至pixhawk之前，需先在地面站电脑上安装mission planner。

选择windows里的Mission Planner或者Mac与Linux里的APM Planner。

这些应用都可以从ardupilot.cn网站里免费下载。

从（这里！）下载用于Windows的Mission Planner然后点击橙色的Download按钮。

从（这里！）下载Mac或者Linux版的Mission Planner（注意这还没有安装！）



Mac系统请选择APMPlanner – DMG – 最新然后点击橙色的Download按钮。

Linux系统请选择APMPlanner – RPM – 最新并选择橙色的Download按钮。

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安装Planner

在选择正确的文件后，仔细阅读接下来页面的安全说明然后点击“Download”。

打开文件运行安装向导。

在通过系统安全警示后，安装全部建议的驱动。

在安装完成后，打开MissionPlanner应用。

用micro-USB线把Pixhawk连接至你的电脑。

你的电脑将自动安装正确的驱动。

这时请不要点击“连接”按钮，Pixhawk只有在与Mavlink “未连接”的时候才可以加载固件。

在Planner程序里选择初次安装图标。

然后在左边栏内选择Install Firmware项。

接下来选择你想加载固件的模型类型。

当你想执行操作时，会有确认提示。

当指示条显示下载完成后，断开USB将飞控断电然后重新接上电脑供电。



如果你听到了一段乐音，你的固件安装就完成了。

如果你听到一连串的三次嘟嘟声，先断开USB，然后按住安全按钮，再重新连接USB。

重启之后，一连串的两次嘟嘟声表示固件已经成功加载。

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校准你的Pixhawk

校准你的在飞行器上使用的Pixhawk，请到这个Wiki页面。



然后到（这里！）执行电调校准。

然后再到（这里！）正确设置电机旋转方向。



校准你的在飞机上使用的Pixhawk，请到这个Wiki页面。



然后到（这里！）检查传感器。

然后到（这里！）设定舵机方向和副翼或升降副翼模式。

如果你的副翼设置在两个通道上，你可以在（这里！）设置它们。

如果你有襟翼，你可以在（这里！）设置自动襟翼

如果你的升降副翼是分离的，你可以在（这里！）设置不同的扰流器

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Pixhawk指示灯的含义

红灯和蓝灯闪： 初始化中。 请稍等。

黄灯双闪： 错误。 系统拒绝解锁。

蓝灯闪： 已加锁，GPS搜星中。 自动导航，悬停，还有返回出发点模式需要GPS锁定。

绿灯闪： 已加锁，GPS锁定已获得。 准备解锁。 从加锁状态解锁时，会有快速的两次响声提示。

绿灯长亮加单次长响：GPS锁定并且解锁。 准备起飞！

黄灯闪： 遥控故障保护被激活。

黄灯闪加快速重复响：电池故障保护被激活。

黄灯蓝灯闪加高-高-高-低响： GPS数据异常或者GPS故障保护被激活。

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Pixhawk安全开关含义（红色LED）

快速，持续闪烁：执行系统自检中。 请稍等。

间歇闪烁： 系统就绪。 请按安全开关按钮以激活系统。

常亮：已经准备好解锁。 可以执行解锁程序。

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Pixhawk接口



1 Spektrum DSM 接收机
2 遥测（电台遥测）
3 遥测（屏幕上显示）
4 USB
5 SPI （串行外设接口）总线
6 电源模块
7 安全开关按钮
8 蜂鸣器
9 串行
10 GPS 模块
11 CAN （controller area network）总线
12 I2C 分流器或罗盘模块
13 模拟至数字转换器 6.6 V
14 模拟至数字转换器 3.3 V
15 LED指示器







1 输入/输出重置按钮
2 SD卡
3 飞行管理重置按钮
4 Micro-USB接口



1 遥控接收机输入
2 Futaba S.Bus 接收机输入
3 主输出
4 辅助输出

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Pixhawk规格

处理器



32位ARM Cortex M4 核心包含FPU（浮点运算单元）

168 Mhz/256 KB RAM/2 MB 闪存

32位故障保护协处理器



传感器



ST Micro 16位陀螺仪

ST Micro 14位加速度计/磁力计

MEAS 气压计



电源



良好的二极管控制器，带有自动故障切换

舵机端口7V高压与高电流预备

所有的外围设备输出都有过流保护，所有的输入都有防静电保护



接口



5个UART串口，1个支持大功率，两个有硬件流量控制

Spektrum DSM/DSM2/DSM-X 卫星输入

Futaba S.BUS 输入和输出

PPM sum 信号

RSSI（PWM或者电压）输入

I2C, SPI, 2个CAN, USB

3.3 与 6.6 ADC 输入



尺寸



重量 38g

宽 50 mm

高 15.5 mm

长 81.5 mm






最后提供几个详细的学习网址
  
PX4原生固件及其地面站网址

https://github.com/PX4   

http://px4.io/

https://github.com/mavlink/qgroundcontrol

AutoPoilt 固件及其地面站网址

http://ardupilot.org/

https://github.com/ArduPilot/ardupilot

https://github.com/ArduPilot/MissionPlanner

PIXHAWK控制器硬件

https://github.com/PX4/Hardware




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