揭秘?zé)o人機的幕后功臣：開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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無人機能被快速普及，很大程度上是得益于開源飛控的發(fā)展，因為困擾著無人機發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備是自動駕駛儀。那么，開源飛控是什么？又是如何發(fā)展過來的？
在紛繁復(fù)雜的無人機產(chǎn)品中，四旋翼飛行器以其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低廉等優(yōu)勢，最先進入了大眾的視線。但是，這種飛行器對飛行控制能力的要求是最高的，因此它刺激了大批基于MEMS傳感器的開源飛控的出現(xiàn)。
如何定義開源
開源(Open Source)的概念最早被應(yīng)用于開源軟件，開放源代碼促進會(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。每一個開源項目均擁有自己的論壇，由團隊或個人進行管理，論壇定期發(fā)布開源代碼，而對此感興趣的程序員都可以下載這些代碼，并對其進行修改，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程序并再次發(fā)布新版本。如此循環(huán)，形成“共同開發(fā)、共同分享”的良性循環(huán)。
開源軟件的發(fā)展逐漸與硬件相結(jié)合，產(chǎn)生了開源硬件。硬件與軟件不同之處是實物資源應(yīng)該始終致力于創(chuàng)造實物商品。因此，生產(chǎn)在開源硬件(OSHW)許可下的品目(產(chǎn)品)的人和公司有義務(wù)明確該產(chǎn)品沒有在原設(shè)計者核準前被生產(chǎn)，銷售和授權(quán)，并且沒有使用任何原設(shè)計者擁有的商標。硬件設(shè)計的源代碼的特定格式可以被其他人獲取，以便對其進行修改。在實現(xiàn)技術(shù)自由的同時，開源硬件提供知識共享并鼓勵硬件設(shè)計開放交流貿(mào)易。
開源硬件(OSHW)定義1.0是在軟件開源定義基礎(chǔ)上定義的。該定義是由Bruce Perens和Debian的開發(fā)者作為Debian自由軟件方針而創(chuàng)建的。
開源飛控是何物？
了解了開源硬件的概念，開源飛控的概念也就比較容易理解了。所謂開源飛控就是建立在開源思想基礎(chǔ)上的自動飛行控制器項目(Open Source Auto Pilot)，同時包含開源軟件和開源硬件，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)，不但可以購買硬件來開發(fā)軟件，也可以自制硬件，這樣便可讓更多人自由享受該項目的開發(fā)成果。開源項目的使用具有商業(yè)性，所以每個開源飛控項目都會給出官方的法律條款以界定開發(fā)者和使用者權(quán)利，不同的開源飛控對其法律界定都有所不同。
開源飛控的發(fā)展
開源飛控的發(fā)展可分為三代：
第一代開源飛控系統(tǒng)使用Arduino或其他類似的開源電子平臺為基礎(chǔ)，擴展連接各種MEMS傳感器，能夠讓無人機平穩(wěn)地飛起來，其主要特點是模塊化和可擴展能力。
第二代開源飛控系統(tǒng)大多擁有自己的開源硬件、開發(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，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，同時可加裝電臺與地面站進行通信，初步具備完整自動駕駛儀的功能。此類飛控還能夠支持多種無人設(shè)備，包含固定翼飛行器、多旋翼飛行器、直升機和車輛等，并具備多種飛行模式，包含手動飛行、半自主飛行和全自主飛行。第二代飛控的主要特點是高集成性、高可靠性，其功能已經(jīng)接近商業(yè)自動駕駛儀標準。第三代開源飛控系統(tǒng)將會在軟件和人工智能方面進行革新。它加入了集群飛行、圖像識別、自主避障、自動跟蹤飛行等高級飛行功能，向機器視覺、集群化、開發(fā)過程平臺化的方向發(fā)展。
你不該錯過的開源飛控傳奇
Arduino飛控
要談開源飛控的發(fā)展就必須從著名的開源硬件項目Arduino談起。Arduino 是最早的開源飛控，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)計學(xué)院合作開發(fā)而成。Arduino公司首先為電子開發(fā)愛好者搭建了一個靈活的開源硬件平臺和開發(fā)環(huán)境，用戶可以從Arduino官方網(wǎng)站取得硬件的設(shè)計文檔，調(diào)整電路板及元件，以符合自己實際設(shè)計的需要。Arduino可以通過與其配套的Arduino IDE軟件查看源代碼并上傳自己編寫的代碼，Arduino IDE使用的是基于C語言和C++的Arduino語言，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)上運行。隨著該平臺逐漸被愛好者所接受，各種功能的電子擴展模塊層出不窮，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)計源代碼，Arduino公司決定開放其飛控源代碼，他們開啟了開源飛控的發(fā)展道路。著名的開源飛控WMC和APM都是Arduino飛控的直接衍生產(chǎn)品，至今仍然使用Arduino開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。
APM飛控
APM(ArduPilotMega)是在2007年由DIY無人機社區(qū)(DIY Drones)推出的飛控產(chǎn)品，是當今最為成熟的開源硬件項目。APM基于Arduino的開源平臺，對多處硬件做出了改進，包括加速度計、陀螺儀和磁力計組合慣性測量單元(IMU)。由于APM良好的可定制性，APM在全球航模愛好者范圍內(nèi)迅速傳播開來。通過開源軟件Mission Planner，開發(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)成為開源飛控成熟的標桿，可支持多旋翼、固定翼、直升機和無人駕駛車等無人設(shè)備。針對多旋翼，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)實現(xiàn)定高和定點飛行。
PX4和PIXHawk
PX4是一個軟硬件開源項目(遵守BSD協(xié)議)，目的在于為學(xué)術(shù)、愛好和工業(yè)團體提供一款低成本、高性能的高端自駕儀。這個項目源于蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的計算機視覺與幾何實驗室、自主系統(tǒng)實驗室和自動控制實驗室的PIXHawk項目。PX4FMU自駕儀模塊運行高效的實時操作系統(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MAVLink同地面站通訊，兼容的地面站有QGroundControl和Mission Planner，軟件全部開源且遵守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，也是當前愛好者手中最炙手可熱的產(chǎn)品。PIXHawk擁有168MHz的運算頻率，并突破性地采用了整合硬件浮點運算核心的Cortex-M4的單片機作為主控芯片，內(nèi)置兩套陀螺和加速度計MEMS傳感器，互為補充矯正，內(nèi)置三軸磁場傳感器并可以外接一個三軸磁場傳感器，同時可外接一主一備兩個GPS傳感器，在故障時自動切換。基于其高速運算的核心和浮點算法，PIXHawk使用最先進的定高算法，可以僅憑氣壓高度計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)鍵點圍繞、鼠標引導(dǎo)、“FollowMe”、對尾飛行等高級的飛行模式，并能夠完成自主調(diào)參。PIXHawk飛控的開放性非常好，幾百項參數(shù)全部開放給玩家調(diào)整，靠基礎(chǔ)模式簡單調(diào)試后亦可飛行。PIXHawk集成多種電子地圖，愛好者們可以根據(jù)當?shù)厍闆r進行選擇。
OpenPilot與Taulabs
OpenPilot是由OpenPilot社區(qū)于2009年推出的自動駕駛儀項目，旨在為社會提供低成本但功能強大的穩(wěn)定型自動駕駛儀。這個項目由兩部分組成，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語言編寫，而地面站則用C++編寫，并可在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行。OpenPilot的最大特點是硬件架構(gòu)非常簡單，從它目前擁有的眾多硬件設(shè)計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開發(fā)板擴展而成的FlyingF3、FlyingF4、DescoveryF4等，其中CC3D已經(jīng)是300mm以下軸距穿越機和超小室內(nèi)航模的首選飛控，而DiscoveryF4被大量用于愛好者研究飛控，Quanton更是成為了Taulabs的首選硬件。
下面我們來說說Openpilot旗下最流行的硬件CC3D。
此飛控板只采用一顆72MHz的32位STM32單片機和一顆MPU6000就能夠完成四旋翼、固定翼、直升機的姿態(tài)控制飛行（注意，該硬件可進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。
與所有開源飛控不同，它不需要GPS融合或者磁場傳感器參與修正，就能保持長時間的姿態(tài)控制。以上所有功能全部使用一個固件，通過設(shè)置便可更改飛機種類、飛行模式、支持云臺增穩(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，可以通過電臺實時監(jiān)測飛機狀態(tài)。TauLabs飛控是OpenPilot飛控的衍生產(chǎn)品。當前TauLabs最流行的硬件叫做Quanton，由原OpenPilot飛控小組成員獨立完成。它繼承了OpenPilot簡單高效的特點，并擴展了氣壓高度計和三軸磁場傳感器，將主控單片機升級為帶有硬件浮點運算的Cortex-M4核心。該飛控是最早支持自動調(diào)參的開源飛控產(chǎn)品，帶有模型辨識算法，能夠在飛行中進行自整定姿態(tài)PID控制參數(shù)。TauLabs能夠完成許多高級飛行模式，連接外置GPS后可使多旋翼具備定高、定點、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行初始化，初學(xué)者可以簡單上手。
Multi Wii Copter （MWC）
Multi Wii Copter（MWC）飛控是一款典型的Arduino衍生產(chǎn)品，是專為多旋翼開發(fā)的低成本飛控，它完整地保留了Arduino IDE開發(fā)和Arduino設(shè)備升級和使用的方法。由于成本低、架構(gòu)簡單、固件比較成熟，因此該飛控在國內(nèi)外擁有大量愛好者。除了支持常見的四、六、八旋翼以外，該飛控的最大特點是支持很多奇特的飛行器類型，比如三旋翼、阿凡達飛行器(BIcopter avatar style)、Y4型多旋翼(其中兩軸為上下對置)等，使得該飛控的開發(fā)趣味性較強，容易博得大家的喜愛。
KKMulti Copter
KK飛控是源于韓國的一款開源飛控項目，也是第一種廣為大眾接受的多旋翼飛控，在開源飛控發(fā)展的初期，該飛控的橫空出世對整個四旋翼行業(yè)是一種震撼。該飛控只使用三個成本低廉的單軸陀螺，配合一臺最簡單的四通道遙控設(shè)備，就能控制常見的三、四、六旋翼飛行器，并且支持“十字”型，X型、H型和上下對置等多種布局。該飛控使用三個可調(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證，這款“古董”級經(jīng)典飛控，依然擁有眾多玩家。
Paparazzi(PPZ)
Paparazzi(PPZ)是一個軟硬件全開源的項目，它始于2003年，開發(fā)目標是建立一個配置靈活且性能強大的開源飛控項目。PPZ的一大特點是，該開源飛控方案中除了常見的飛控硬件、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)接近一個小型的無人機系統(tǒng)了。該開源項目的另一個特點是采用ubuntu操作系統(tǒng)，它將全部地面站軟件和開發(fā)環(huán)境集成于該系統(tǒng)下，官方稱之為Live CD。一張CD加飛控硬件就可完成從開發(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展接口，并且使用可擴展的單獨的IMU傳感器板。這也是早期開源飛控比較流行的做法，這樣可以像DIY臺式計算機那樣，隨著傳感器升級而不斷升級IMU硬件。
Autoquad飛控和ESC32電調(diào)
Autoquad飛控來自德國，作為早期開源飛控，Autoquad功能非常強大，但是受限于當時的傳感器產(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)和運算核心，而直接將微機械傳感器的變化通過放大和硬件濾波后以電壓的形式輸出，需要主控單片機進行AD采集。因為傳感器在不同溫度環(huán)境下，輸出值會受到影響，模擬MEMS傳感器給參數(shù)校準帶來了不少麻煩。很多玩家在第一次使用該飛控時，不得不借助電冰箱來進行傳感器校準，而一些廠家為了保證批量產(chǎn)品的穩(wěn)定性，只能在飛行器上對電路板進行加溫，使其保持溫度恒定。但是，這種校準方法卻為一些骨灰級玩家?guī)砹祟~外的樂趣，很多人反而樂此不疲。對于大多數(shù)普通愛好者而言，這實在是一項難度不小的工作。隨著帶有出廠校準的數(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，該開源項目的另一個分支ESC32電調(diào)卻逐漸在玩家中被接受了。該電調(diào)是第一個采用數(shù)字接口進行控制的電調(diào)產(chǎn)品，玩家可以通過串口、I2C接口和CAN接口來控制電機的轉(zhuǎn)速，這比傳統(tǒng)的PWM接口信息速度要快很多倍。常見的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到百萬次。尤其是對于動力變化非常敏感的多旋翼飛行器來說，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)，并且能夠針對電機進行詳細調(diào)參，這些功能都是傳統(tǒng)航模電調(diào)不能比擬的。當然，Autoquad也在進步，它發(fā)布了全新的飛控產(chǎn)品Autoquad M4，對主控單片機和傳感器進行了全面升級，采用常見的STM32F4單片機和數(shù)字傳感器。但是面對PIXHawk、APM等已經(jīng)成熟多年的先進飛控產(chǎn)品，它已經(jīng)從前輩淪落為后起之秀。所以說，開源飛控很大程度上促進了四旋翼飛行器這類的產(chǎn)品飛入尋常百姓家，無人機技術(shù)的發(fā)展，甚至還能幫你完成飛行的夢想。
本文轉(zhuǎn)自電子工程專輯，由北航無人駕駛飛行器設(shè)計研究所的兩位教授撰稿首發(fā)于《機器人圈》。
卓飛智控
