揭秘?zé)o人機(jī)的幕后功臣：開(kāi)源飛控都有哪些流派？
飛行控制與仿真 2023-04-11 14:11 發(fā)表于廣東
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無(wú)人機(jī)能被快速普及，很大程度上是得益于開(kāi)源飛控的發(fā)展，因?yàn)槔_著無(wú)人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備是自動(dòng)駕駛儀。那么，開(kāi)源飛控是什么？又是如何發(fā)展過(guò)來(lái)的？
在紛繁復(fù)雜的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品中，四旋翼飛行器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，最先進(jìn)入了大眾的視線。但是，這種飛行器對(duì)飛行控制能力的要求是最高的，因此它刺激了大批基于MEMS傳感器的開(kāi)源飛控的出現(xiàn)。
如何定義開(kāi)源
開(kāi)源(Open Source)的概念最早被應(yīng)用于開(kāi)源軟件，開(kāi)放源代碼促進(jìn)會(huì)(Open Source Initiative)用其描述那些源碼可以被公眾使用的軟件，并且此軟件的使用、修改和發(fā)行也不受許可證的限制。每一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目均擁有自己的論壇，由團(tuán)隊(duì)或個(gè)人進(jìn)行管理，論壇定期發(fā)布開(kāi)源代碼，而對(duì)此感興趣的程序員都可以下載這些代碼，并對(duì)其進(jìn)行修改，然后上傳自己的成果，管理者從眾多的修改中選擇合適的代碼改進(jìn)程序并再次發(fā)布新版本。如此循環(huán)，形成“共同開(kāi)發(fā)、共同分享”的良性循環(huán)。
開(kāi)源軟件的發(fā)展逐漸與硬件相結(jié)合，產(chǎn)生了開(kāi)源硬件。硬件與軟件不同之處是實(shí)物資源應(yīng)該始終致力于創(chuàng)造實(shí)物商品。因此，生產(chǎn)在開(kāi)源硬件(OSHW)許可下的品目(產(chǎn)品)的人和公司有義務(wù)明確該產(chǎn)品沒(méi)有在原設(shè)計(jì)者核準(zhǔn)前被生產(chǎn)，銷售和授權(quán)，并且沒(méi)有使用任何原設(shè)計(jì)者擁有的商標(biāo)。硬件設(shè)計(jì)的源代碼的特定格式可以被其他人獲取，以便對(duì)其進(jìn)行修改。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)自由的同時(shí)，開(kāi)源硬件提供知識(shí)共享并鼓勵(lì)硬件設(shè)計(jì)開(kāi)放交流貿(mào)易。
開(kāi)源硬件(OSHW)定義1.0是在軟件開(kāi)源定義基礎(chǔ)上定義的。該定義是由Bruce Perens和Debian的開(kāi)發(fā)者作為Debian自由軟件方針而創(chuàng)建的。
開(kāi)源飛控是何物？
了解了開(kāi)源硬件的概念，開(kāi)源飛控的概念也就比較容易理解了。所謂開(kāi)源飛控就是建立在開(kāi)源思想基礎(chǔ)上的自動(dòng)飛行控制器項(xiàng)目(Open Source Auto Pilot)，同時(shí)包含開(kāi)源軟件和開(kāi)源硬件，而軟件則包含飛控硬件中的固件和地面站軟件兩部分。愛(ài)好者不但可以參與軟件的研發(fā)，也可以參與硬件的研發(fā)，不但可以購(gòu)買硬件來(lái)開(kāi)發(fā)軟件，也可以自制硬件，這樣便可讓更多人自由享受該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成果。開(kāi)源項(xiàng)目的使用具有商業(yè)性，所以每個(gè)開(kāi)源飛控項(xiàng)目都會(huì)給出官方的法律條款以界定開(kāi)發(fā)者和使用者權(quán)利，不同的開(kāi)源飛控對(duì)其法律界定都有所不同。
開(kāi)源飛控的發(fā)展
開(kāi)源飛控的發(fā)展可分為三代：
第一代開(kāi)源飛控系統(tǒng)使用Arduino或其他類似的開(kāi)源電子平臺(tái)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展連接各種MEMS傳感器，能夠讓無(wú)人機(jī)平穩(wěn)地飛起來(lái)，其主要特點(diǎn)是模塊化和可擴(kuò)展能力。
第二代開(kāi)源飛控系統(tǒng)大多擁有自己的開(kāi)源硬件、開(kāi)發(fā)環(huán)境和社區(qū)，采用全集成的硬件架構(gòu)，將全部10DOF傳感器、主控單片機(jī)，甚至GPS等設(shè)備全部集成在一塊電路板上，以提高可靠性。它使用全數(shù)字三軸MEMS傳感器組成航姿系統(tǒng)(IMU)；能夠控制飛行器完成自主航線飛行，同時(shí)可加裝電臺(tái)與地面站進(jìn)行通信，初步具備完整自動(dòng)駕駛儀的功能。此類飛控還能夠支持多種無(wú)人設(shè)備，包含固定翼飛行器、多旋翼飛行器、直升機(jī)和車輛等，并具備多種飛行模式，包含手動(dòng)飛行、半自主飛行和全自主飛行。第二代飛控的主要特點(diǎn)是高集成性、高可靠性，其功能已經(jīng)接近商業(yè)自動(dòng)駕駛儀標(biāo)準(zhǔn)。第三代開(kāi)源飛控系統(tǒng)將會(huì)在軟件和人工智能方面進(jìn)行革新。它加入了集群飛行、圖像識(shí)別、自主避障、自動(dòng)跟蹤飛行等高級(jí)飛行功能，向機(jī)器視覺(jué)、集群化、開(kāi)發(fā)過(guò)程平臺(tái)化的方向發(fā)展。
你不該錯(cuò)過(guò)的開(kāi)源飛控傳奇
Arduino飛控
要談開(kāi)源飛控的發(fā)展就必須從著名的開(kāi)源硬件項(xiàng)目Arduino談起。Arduino 是最早的開(kāi)源飛控，由Massimo Banzi、David Cuartielles、Tom Igoe、Gianluca Martino、David Mellis 和 Nicholas Zambetti于2005年在意大利交互設(shè)計(jì)學(xué)院合作開(kāi)發(fā)而成。Arduino公司首先為電子開(kāi)發(fā)愛(ài)好者搭建了一個(gè)靈活的開(kāi)源硬件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以從Arduino官方網(wǎng)站取得硬件的設(shè)計(jì)文檔，調(diào)整電路板及元件，以符合自己實(shí)際設(shè)計(jì)的需要。Arduino可以通過(guò)與其配套的Arduino IDE軟件查看源代碼并上傳自己編寫(xiě)的代碼，Arduino IDE使用的是基于C語(yǔ)言和C++的Arduino語(yǔ)言，十分容易掌握，并且Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。隨著該平臺(tái)逐漸被愛(ài)好者所接受，各種功能的電子擴(kuò)展模塊層出不窮，其中最為復(fù)雜的便是集成了MEMS傳感器的飛行控制器。為了得到更好的飛控設(shè)計(jì)源代碼，Arduino公司決定開(kāi)放其飛控源代碼，他們開(kāi)啟了開(kāi)源飛控的發(fā)展道路。著名的開(kāi)源飛控WMC和APM都是Arduino飛控的直接衍生產(chǎn)品，至今仍然使用Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
APM飛控
APM(ArduPilotMega)是在2007年由DIY無(wú)人機(jī)社區(qū)(DIY Drones)推出的飛控產(chǎn)品，是當(dāng)今最為成熟的開(kāi)源硬件項(xiàng)目。APM基于Arduino的開(kāi)源平臺(tái)，對(duì)多處硬件做出了改進(jìn)，包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)組合慣性測(cè)量單元(IMU)。由于APM良好的可定制性，APM在全球航模愛(ài)好者范圍內(nèi)迅速傳播開(kāi)來(lái)。通過(guò)開(kāi)源軟件Mission Planner，開(kāi)發(fā)者可以配置APM的設(shè)置，接受并顯示傳感器的數(shù)據(jù)，使用google map 完成自動(dòng)駕駛等功能，但是Mission Planner僅支持windows操作系統(tǒng)。目前APM飛控已經(jīng)成為開(kāi)源飛控成熟的標(biāo)桿，可支持多旋翼、固定翼、直升機(jī)和無(wú)人駕駛車等無(wú)人設(shè)備。針對(duì)多旋翼，APM飛控支持各種四、六、八軸產(chǎn)品，并且連接外置GPS傳感器以后能夠增穩(wěn)，并完成自主起降、自主航線飛行、回家、定高、定點(diǎn)等豐富的飛行模式。APM能夠連接外置的超聲波傳感器和光流傳感器，在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)定高和定點(diǎn)飛行。
PX4和PIXHawk
PX4是一個(gè)軟硬件開(kāi)源項(xiàng)目(遵守BSD協(xié)議)，目的在于為學(xué)術(shù)、愛(ài)好和工業(yè)團(tuán)體提供一款低成本、高性能的高端自駕儀。這個(gè)項(xiàng)目源于蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)與幾何實(shí)驗(yàn)室、自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室和自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室的PIXHawk項(xiàng)目。PX4FMU自駕儀模塊運(yùn)行高效的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，Nuttx提供可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）類型的環(huán)境。例如：printf()、pthreads、/dev/ttyS1、open()、write、poll()、ioctl()等。軟件可以使用USB bootloader更新。PX4通過(guò)MAVLink同地面站通訊，兼容的地面站有QGroundControl和Mission Planner，軟件全部開(kāi)源且遵守BSD協(xié)議。由3DR聯(lián)合APM小組與PX4小組于2014年推出的PIXHawk飛控是PX4飛控的升級(jí)版本，擁有PX4和APM兩套固件和相應(yīng)的地面站軟件。該飛控是目前全世界飛控產(chǎn)品中硬件規(guī)格最高的產(chǎn)品，也是當(dāng)前愛(ài)好者手中最炙手可熱的產(chǎn)品。PIXHawk擁有168MHz的運(yùn)算頻率，并突破性地采用了整合硬件浮點(diǎn)運(yùn)算核心的Cortex-M4的單片機(jī)作為主控芯片，內(nèi)置兩套陀螺和加速度計(jì)MEMS傳感器，互為補(bǔ)充矯正，內(nèi)置三軸磁場(chǎng)傳感器并可以外接一個(gè)三軸磁場(chǎng)傳感器，同時(shí)可外接一主一備兩個(gè)GPS傳感器，在故障時(shí)自動(dòng)切換。基于其高速運(yùn)算的核心和浮點(diǎn)算法，PIXHawk使用最先進(jìn)的定高算法，可以僅憑氣壓高度計(jì)便將飛行器高度固定在1米以內(nèi)。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(jié)構(gòu)不規(guī)則的產(chǎn)品。它使飛行器擁有多種飛行模式，支持全自主航線、關(guān)鍵點(diǎn)圍繞、鼠標(biāo)引導(dǎo)、“FollowMe”、對(duì)尾飛行等高級(jí)的飛行模式，并能夠完成自主調(diào)參。PIXHawk飛控的開(kāi)放性非常好，幾百項(xiàng)參數(shù)全部開(kāi)放給玩家調(diào)整，靠基礎(chǔ)模式簡(jiǎn)單調(diào)試后亦可飛行。PIXHawk集成多種電子地圖，愛(ài)好者們可以根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行選擇。
OpenPilot與Taulabs
OpenPilot是由OpenPilot社區(qū)于2009年推出的自動(dòng)駕駛儀項(xiàng)目，旨在為社會(huì)提供低成本但功能強(qiáng)大的穩(wěn)定型自動(dòng)駕駛儀。這個(gè)項(xiàng)目由兩部分組成，包括OpenPilot自駕儀與其相配套的軟件。其中，自駕儀的固件部分由C語(yǔ)言編寫(xiě)，而地面站則用C++編寫(xiě)，并可在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。OpenPilot的最大特點(diǎn)是硬件架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，從它目前擁有的眾多硬件設(shè)計(jì)就可以看出其與眾不同之處。官方發(fā)布的飛控硬件包括CC、CC3D、ATOM、Revolution、Revolution nano等，衍生硬件包括Sparky、Quanton、REVOMINI等，甚至包含直接使用STM32開(kāi)發(fā)板擴(kuò)展而成的FlyingF3、FlyingF4、DescoveryF4等，其中CC3D已經(jīng)是300mm以下軸距穿越機(jī)和超小室內(nèi)航模的首選飛控，而DiscoveryF4被大量用于愛(ài)好者研究飛控，Quanton更是成為了Taulabs的首選硬件。
下面我們來(lái)說(shuō)說(shuō)Openpilot旗下最流行的硬件CC3D。
此飛控板只采用一顆72MHz的32位STM32單片機(jī)和一顆MPU6000就能夠完成四旋翼、固定翼、直升機(jī)的姿態(tài)控制飛行（注意，該硬件可進(jìn)行的是三自由度姿態(tài)控制，而不是增穩(wěn)），電路板大小只有35mm×35mm。
與所有開(kāi)源飛控不同，它不需要GPS融合或者磁場(chǎng)傳感器參與修正，就能保持長(zhǎng)時(shí)間的姿態(tài)控制。以上所有功能全部使用一個(gè)固件，通過(guò)設(shè)置便可更改飛機(jī)種類、飛行模式、支持云臺(tái)增穩(wěn)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(xué)習(xí)的楷模。其地面站軟件集成了完整的電子地圖，可以通過(guò)電臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)狀態(tài)。TauLabs飛控是OpenPilot飛控的衍生產(chǎn)品。當(dāng)前TauLabs最流行的硬件叫做Quanton，由原OpenPilot飛控小組成員獨(dú)立完成。它繼承了OpenPilot簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，并擴(kuò)展了氣壓高度計(jì)和三軸磁場(chǎng)傳感器，將主控單片機(jī)升級(jí)為帶有硬件浮點(diǎn)運(yùn)算的Cortex-M4核心。該飛控是最早支持自動(dòng)調(diào)參的開(kāi)源飛控產(chǎn)品，帶有模型辨識(shí)算法，能夠在飛行中進(jìn)行自整定姿態(tài)PID控制參數(shù)。TauLabs能夠完成許多高級(jí)飛行模式，連接外置GPS后可使多旋翼具備定高、定點(diǎn)、回家等功能。飛控集成了電子地圖，且界面非常友好，使用向?qū)Ｊ竭M(jìn)行初始化，初學(xué)者可以簡(jiǎn)單上手。
Multi Wii Copter （MWC）
Multi Wii Copter（MWC）飛控是一款典型的Arduino衍生產(chǎn)品，是專為多旋翼開(kāi)發(fā)的低成本飛控，它完整地保留了Arduino IDE開(kāi)發(fā)和Arduino設(shè)備升級(jí)和使用的方法。由于成本低、架構(gòu)簡(jiǎn)單、固件比較成熟，因此該飛控在國(guó)內(nèi)外擁有大量愛(ài)好者。除了支持常見(jiàn)的四、六、八旋翼以外，該飛控的最大特點(diǎn)是支持很多奇特的飛行器類型，比如三旋翼、阿凡達(dá)飛行器(BIcopter avatar style)、Y4型多旋翼(其中兩軸為上下對(duì)置)等，使得該飛控的開(kāi)發(fā)趣味性較強(qiáng)，容易博得大家的喜愛(ài)。
KKMulti Copter
KK飛控是源于韓國(guó)的一款開(kāi)源飛控項(xiàng)目，也是第一種廣為大眾接受的多旋翼飛控，在開(kāi)源飛控發(fā)展的初期，該飛控的橫空出世對(duì)整個(gè)四旋翼行業(yè)是一種震撼。該飛控只使用三個(gè)成本低廉的單軸陀螺，配合一臺(tái)最簡(jiǎn)單的四通道遙控設(shè)備，就能控制常見(jiàn)的三、四、六旋翼飛行器，并且支持“十字”型，X型、H型和上下對(duì)置等多種布局。該飛控使用三個(gè)可調(diào)電阻調(diào)整感度作為調(diào)參方法，保留了早期航模陀螺儀的特征。作為多旋翼飛控起始的重要見(jiàn)證，這款“古董”級(jí)經(jīng)典飛控，依然擁有眾多玩家。
Paparazzi(PPZ)
Paparazzi(PPZ)是一個(gè)軟硬件全開(kāi)源的項(xiàng)目，它始于2003年，開(kāi)發(fā)目標(biāo)是建立一個(gè)配置靈活且性能強(qiáng)大的開(kāi)源飛控項(xiàng)目。PPZ的一大特點(diǎn)是，該開(kāi)源飛控方案中除了常見(jiàn)的飛控硬件、飛控軟件和地面站軟件之外，還包含地面站硬件，包括各種調(diào)制解調(diào)器、天線等設(shè)備。從功能上講，PPZ已經(jīng)接近一個(gè)小型的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)了。該開(kāi)源項(xiàng)目的另一個(gè)特點(diǎn)是采用ubuntu操作系統(tǒng)，它將全部地面站軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境集成于該系統(tǒng)下，官方稱之為L(zhǎng)ive CD。一張CD加飛控硬件就可完成從開(kāi)發(fā)到使用的全部工作。PPZ目前最流行的硬件版本是Paparazzi(PPZ)Lisa/M v2.0。該硬件擁有大量的擴(kuò)展接口，并且使用可擴(kuò)展的單獨(dú)的IMU傳感器板。這也是早期開(kāi)源飛控比較流行的做法，這樣可以像DIY臺(tái)式計(jì)算機(jī)那樣，隨著傳感器升級(jí)而不斷升級(jí)IMU硬件。
Autoquad飛控和ESC32電調(diào)
Autoquad飛控來(lái)自德國(guó)，作為早期開(kāi)源飛控，Autoquad功能非常強(qiáng)大，但是受限于當(dāng)時(shí)的傳感器產(chǎn)品，它不得不采用大量模擬MEMS傳感器。所謂模擬傳感器指的是傳感器芯片內(nèi)部不集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)和運(yùn)算核心，而直接將微機(jī)械傳感器的變化通過(guò)放大和硬件濾波后以電壓的形式輸出，需要主控單片機(jī)進(jìn)行AD采集。因?yàn)閭鞲衅髟诓煌瑴囟拳h(huán)境下，輸出值會(huì)受到影響，模擬MEMS傳感器給參數(shù)校準(zhǔn)帶來(lái)了不少麻煩。很多玩家在第一次使用該飛控時(shí)，不得不借助電冰箱來(lái)進(jìn)行傳感器校準(zhǔn)，而一些廠家為了保證批量產(chǎn)品的穩(wěn)定性，只能在飛行器上對(duì)電路板進(jìn)行加溫，使其保持溫度恒定。但是，這種校準(zhǔn)方法卻為一些骨灰級(jí)玩家?guī)?lái)了額外的樂(lè)趣，很多人反而樂(lè)此不疲。對(duì)于大多數(shù)普通愛(ài)好者而言，這實(shí)在是一項(xiàng)難度不小的工作。隨著帶有出廠校準(zhǔn)的數(shù)字傳感器的普及，Autoquad作為歷史的積淀，也完成了它的使命。但是，該開(kāi)源項(xiàng)目的另一個(gè)分支ESC32電調(diào)卻逐漸在玩家中被接受了。該電調(diào)是第一個(gè)采用數(shù)字接口進(jìn)行控制的電調(diào)產(chǎn)品，玩家可以通過(guò)串口、I2C接口和CAN接口來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這比傳統(tǒng)的PWM接口信息速度要快很多倍。常見(jiàn)的PWM電調(diào)波形更新速度為每秒鐘四百次，而數(shù)字接口的更新速度可達(dá)到百萬(wàn)次。尤其是對(duì)于動(dòng)力變化非常敏感的多旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，這種高速通信是非常必要的。該電調(diào)還支持轉(zhuǎn)速閉環(huán)，并且能夠針對(duì)電機(jī)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)參，這些功能都是傳統(tǒng)航模電調(diào)不能比擬的。當(dāng)然，Autoquad也在進(jìn)步，它發(fā)布了全新的飛控產(chǎn)品Autoquad M4，對(duì)主控單片機(jī)和傳感器進(jìn)行了全面升級(jí)，采用常見(jiàn)的STM32F4單片機(jī)和數(shù)字傳感器。但是面對(duì)PIXHawk、APM等已經(jīng)成熟多年的先進(jìn)飛控產(chǎn)品，它已經(jīng)從前輩淪落為后起之秀。所以說(shuō)，開(kāi)源飛控很大程度上促進(jìn)了四旋翼飛行器這類的產(chǎn)品飛入尋常百姓家，無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，甚至還能幫你完成飛行的夢(mèng)想。
本文轉(zhuǎn)自電子工程專輯，由北航無(wú)人駕駛飛行器設(shè)計(jì)研究所的兩位教授撰稿首發(fā)于《機(jī)器人圈》。
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