您不能不知道的几大无人机飞控系统 - 全文

在上一节无人机飞控方案文章中，小编我为大家讲解了几个工业级、农业植保无人机应用方案例子，那么今天小编我还是为大家带来几个开源无人机平台、软硬件平台、技术特征、使用传感器及其运用优缺点的对比介绍，供大家学习参考。

一、开源Ardupilot / APM 系列

APM 是在2007年由DIY无人机社区（DIY Drones）推出的飞控系统。也是迄今为止最为成熟的开源自动导航系统，可支持多旋翼、固定翼、直升机和无人驾驶车等无人设备。

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。

目前，APM飞控已经成为开源飞控成熟的标杆，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。

APM系列发展至今，APM2.5 和 APM2.6已经是ardupilot飞控最终版本，APM给我们带来非常强大的功能，非常的成熟可靠，潜能被充分挖掘出来，功能也非常的丰富。但源于APM系列8位CPU计算与存储的能力已经远远不能够满足未来的运用需求了，APM系列产品的终结也是势在必行。

APM 系列支持如下自动导航板

· PX4 – 一款32位基于ARM的自动导航仪，支持很多高级特性，使用NuttX实时操作系统

· APM2 – 一款受欢迎的AVR2560 8位自动导航仪

· APM1（已终止开发） – 一款基于AVR2560的自动导航仪，使用分离式结构

由于 ArduPilot/APM 源码基于 AP-HAL 硬件抽象层编写，使代码能支持更多自动导航板变为可能。

APM 开发语言与工具：

用于ArduPilot/APM的主要飞行代码使用C++编写。支持工具使用多语言编写，最常用的是python。

目前，主要载具代码编写为“.pde”文件，由 Arduino 构建系统得来。pde文件是预处理为.cpp文件构建的一部分。pde文件中包含的声明也能提供构建规则，说明需要包含与连接到哪些库。

地面站：

ArduPilot/APM支持多种地面站用于计划与控制飞行。飞行固件使用MAVLink协议，它允许飞机被任何MAVLink兼容设备控制。

· 使用最广泛的地面站就是 Mission Planner，使用用于 Windows 的C#语言编写。Mission Planner 的源码可以在github上查看。Mission Planner 也能通过 mono 运行在 Linux 与 MacOS 上。

· QGroundControl 也是地面站的一个选择，使用C++的Qt库编写

· 对于面相命令行与可编脚本地面站，你可以使用 MAVProxy

· 对于 android 平板，你可以使用 ArdroPilot 或者 DroidPlanner

其他特征：

主控芯片：AvrAtmega1280/2560

主要传感器：Atmega168/328.双轴陀螺，IMU（单轴陀螺，三轴加速度计。三轴磁力计模块）。气压计.AD芯片

编译环境：Arduino IDE

开发语言：arduino

开发软件：Arduino IDE界面友好简单，Arduino语言类似于C语言

采用算法：两级PID控制方式，第一级是导航级，第二级是控制级

硬件平台：APM2.5： 板载电子罗盘；APM2.6：电子罗盘外置和GPS融合了

优缺点：

优势：

1. APM使用人数多，资料丰富齐全，特别是经典款APM2.5，上手快

2. 功能完全满足使用

3. apm固件相对PX4成熟

4. 有震动，姿态的日志记录，出现问题有据可查

劣势：

1. 处理器相比F407落后，但是够用

2. 传感器分散，集成度不高

二、开源 PX4 / PIXHAWK 系列

PX4 系列：

PIXHAWK 是根据飞控设计需求，结合PX4系列飞控发展而来的PX4飞控单块电路板版本， PX4 系列最初有两个版本：PX4FMU与PX4IO。

PX4是一个由Lorenz Meier所在的瑞士小组所开发的学校项目，其拥有一个32位处理器，提供更多内存、运用分布处理方式并且包含一个浮点运算协处理器。相比APM，PX4 具有相对于前者10倍以上的CPU性能及其他更多方面的改进，Diydrones和3DRobotics把PX4系统视作他们下一代飞控的基础。

PIXHAWK 系列：

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。该飞控是目前全世界飞控产品中硬件规格最高的产品，也是当前爱好者手中最炙手可热的产品。

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。PIXHAWK被定位为下一代无人机飞控，系统具备的所有特征，均符合未来无人机飞控系统未来发展的基础需求，未来将会有更大的发展空间。

技术规格：

处理器

32位 STM32F427 ARM Cortex M4 核心外加 FPU（浮点运算单元）

168 Mhz/256 KB RAM/2 MB 闪存

32位 STM32F103 故障保护协处理器

传感器

Invensense MPU6000 三轴加速度计/陀螺仪

ST Micro L3GD20 16位陀螺仪

ST Micro LSM303D 14位加速度计/磁力计

MS5611 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高压与高电流输出

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 SBUS输入（输出正在完善中）

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

长 81.5 mm x 宽 50 mm x 高 15.5 mm

Pixhawk 的接口分配

PWM，PPM-SUM和SBUS模式下的舵机与电调的连接方法

Pixhawk 接口图

* 备注：上图中针脚1在右边

串口 1 （Telem 1），串口 2 （Telem 2） ，串口 （GPS） 针脚： 6 = GND， 5 = RTS， 4 = CTS， 3 = RX， 2 = TX， 1 = 5V.

三、开源 OpenPilot / Taulabs 系列

OpenPilot是由OpenPilot社区于2009年推出的自动驾驶仪项目，旨在为社会提供低成本但功能强大的稳定型自动驾驶仪。这个项目由两部分组成，包括OpenPilot自驾仪与其相配套的软件。其中，自驾仪的固件部分由C语言编写，而地面站则用C++编写，并可在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系统上运行。

OpenPilot的最大特点是硬件架构非常简单，从它目前拥有的众多硬件设计就可以看出其与众不同之处。官方发布的飞控硬件包括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开发板扩展而成的FlyingF3、FlyingF4、DescoveryF4等，其中CC3D已经是300mm以下轴距穿越机和超小室内航模的首选飞控，而DiscoveryF4被大量用于爱好者研究飞控，Quanton更是成为了Taulabs的首选硬件。

下面我们来说说Openpilot旗下最流行的硬件CC3D。

此飞控板只采用一颗72MHz的32位STM32单片机和一颗MPU6000就能够完成四旋翼、固定翼、直升机的姿态控制飞行（注意，该硬件可进行的是三自由度姿态控制，而不是增稳），电路板大小只有35mm×35mm。

与所有开源飞控不同，它不需要GPS融合或者磁场传感器参与修正，就能保持长时间的姿态控制。以上所有功能全部使用一个固件，通过设置便可更改飞机种类、飞行模式、支持云台增稳等功能。

其编译完的固件所需容量只有大约100KB，代码效率令人惊叹，是所有飞控程序员学习的楷模。其地面站软件集成了完整的电子地图，可以通过电台实时监测飞机状态。

TauLabs飞控是OpenPilot飞控的衍生产品。当前TauLabs最流行的硬件叫做Quanton，由原OpenPilot飞控小组成员独立完成。

它继承了OpenPilot简单高效的特点，并扩展了气压高度计和三轴磁场传感器，将主控单片机升级为带有硬件浮点运算的Cortex-M4核心。该飞控是最早支持自动调参的开源飞控产品，带有模型辨识算法，能够在飞行中进行自整定姿态PID控制参数。TauLabs能够完成许多高级飞行模式，连接外置GPS后可使多旋翼具备定高、定点、回家等功能。飞控集成了电子地图，且界面非常友好，使用向导模式进行初始化，初学者可以简单上手。

Multi Wii Copter（MWC）飞控是一款典型的Arduino衍生产品，是专为多旋翼开发的低成本飞控，它完整地保留了Arduino IDE开发和Arduino设备升级和使用的方法。由于成本低、架构简单、固件比较成熟，因此该飞控在国内外拥有大量爱好者。除了支持常见的四、六、八旋翼以外，该飞控的最大特点是支持很多奇特的飞行器类型，比如三旋翼、阿凡达飞行器（BIcopter avatar style）、Y4型多旋翼（其中两轴为上下对置）等，使得该飞控的开发趣味性较强，容易博得大家的喜爱。