一款基于树莓派CM4的机载电脑

方案介绍

在视觉避障的应用场景中，往往需要一个机载电脑作为算力单元。Nvidia针对此类应用场景推出了Jetson系列AI开发平台，有强大的浮点计算能力和软件堆栈以及超低得能耗，但是价格较为昂贵，不利于推广。国内各种山寨"PI"价格是便宜了，但是软件支持极为不好，系统和驱动的更新常常严重滞后。树莓派能提供一定的算力，价格适中，软件的支持很好，适用于小型低成本的视觉避障系统中。
 

近年来无人机技术已进入高速发展阶段,已从过去执行单一任务、完成简单功能的初级无人机发展到如今集自主化、智能化等功能于一体的多功能综合无人机。随着实时信息网络和人工智能技术的发展,未来先进无人机最终要达到有权限的自主和完全自主控制.

目前在开源飞控领域比较流行的是pixhawk系列飞控，这种飞控的源代码是完全公开的，用户可以从GitHub上免费下载，用于学习研究和二次开发。流行的开源飞控源代码有PX4和Ardupilot两大阵营,这两种代码编译生成的固件都能运行在Pixhawk飞控硬件上（类似于你买了一个电脑，可以安装Windows操作系统也可以安装Linux操作系统）。Pixhawk系列飞控大多采用STM32系列单片机作为主控器。STM32单片机运算能力是比较弱的，完成各类必需的传感器（比如运动传感器，电子罗盘，GPS定位信息等）的信号读取并完成姿态解算，然后去控制电机，这几个步骤已经消耗了大部分的单片机算力，完全没有多余的算力来满足智能化要求。因而增加一个机载电脑来提供额外算力是业界通行的方法。
   
树莓派CM4是很有性价比的计算模块，几百块就能拥有一个机载电脑，4核心64位 ARM Cortex-A72 CPU性能也还可以。树莓派的软件更新很正规和及时，用户基数也很多，各种应用场景多少都能找到一些例程，这点对开发者来说也很重要。
   
使用CM4计算模块，需要自行设计对应的底板。不过在设计的底板上，接口可以做成直接跟飞控对接；通过集成DC-DC芯片，也可以做到直接从动力电池供电。整体来说，采用CM4+底板的方式会大大优化接线和体积。本产品的原理框图设计如下：

USB device用于树莓派烧写镜像。这里选用带EMMC的CM4型号，因为在震动中SD卡座并不是那么可靠。

• 通过VL805芯片从PCIE转出4路USB接口，用于各种USB外设，比如USB摄像头，4G网卡，调试键盘等等。
• MicroHDMI接口可用于外接显示器。
• CSI接口用于连接树莓派支持的各种高清摄像头，做视频采集。
• 串口0用于连接飞控，接入飞控的遥测数据。
• 串口3预留，暂不使用，可当普通IO口使用。
• SPI接口预留，暂不使用，可当普通IO口使用。
• 千兆以太网接口可提供更高的网络带宽。

实物：经过3个月的努力，一共打了两次板，目前产品的功能已经全部正常。为产品设计了铝合金外壳和包装盒，已经比较产品化了。

目前做了如下测试：
1）系统老化24小时无死机重机
2）有线网测试正常
3）WIFI测试正常
4）4个USB端口测试正常
5）I2C接口测试正常
6）程序烧写功能正常
7）串口0连接飞控正常
8）串口3和SPI按GPIO测试连通性，各个PIN连接正常。

该项目第一种应用是当作数传和图传，把飞控的遥测(Mavlink)数据和摄像头视频通过WIFI网络转送到远端的地面站。这种应用方式是基于Rpanion-server软件实现的。