(一)無人機(jī)PX4基本概念
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PX4自駕儀
PX4是與平臺無關(guān)的自動駕駛儀軟件(或稱為固件),可以驅(qū)動無人機(jī)或無人車。它可以被燒寫在某些硬件(如Pixhawk v2),并與地面控制站在一起組成一個完全獨立的自動駕駛系統(tǒng)。
PX4地面控制站被稱為QGroundControl,是PX4自駕系統(tǒng)不可分割的一部分,可以運(yùn)行在Windows,OS X或Linux等多個平臺。
使用QGroundControl,您可以將PX4固件燒寫到硬件,設(shè)置機(jī)器,改變不同的參數(shù),獲得實時航班信息,創(chuàng)建和執(zhí)行完全自主的任務(wù)。
圖1 QGroundControl 主界面
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機(jī)器頭朝向
不論是船還是飛行器都應(yīng)該有機(jī)器頭朝向或定義其前向運(yùn)動的方向為機(jī)器頭方向。
圖2 不同飛行器頭機(jī)體坐標(biāo)
清楚機(jī)器頭方向,以保證自駕儀同機(jī)器運(yùn)動向量相一致極為重要!
盡管對于多軸無人機(jī)來講自身因為有較高的對稱性而導(dǎo)致機(jī)器頭方向不明顯,但通常制造商會通過使用有顏色的槳或機(jī)臂來標(biāo)示機(jī)器頭朝向。
圖3 不同飛行器頭朝向
本文的插圖我們使用紅色槳來標(biāo)示多軸飛行器頭朝向。
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PX4連接
為了能夠?qū)δ腜X4無人駕駛儀進(jìn)行配置、控制及交互,需要先對其進(jìn)行連接。對于Pixhawk硬件有三種類型的連接:
- 遙控連接 – 通過無線電實現(xiàn)遙控器對飛控的連接。
- 數(shù)據(jù)連接 – 使用數(shù)傳、WiFi或者USB線對QGroundControl地面站和無人機(jī)進(jìn)行的連接。
- 機(jī)外連接 – PX4和外部能夠控制PX4的微機(jī)之間的數(shù)據(jù)連接。
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遙控
對于無人機(jī)最基本的控制形式就是使用遙控器。目前有很多類型的遙控器,這里我們將通過使用最流行的飛行器遙控器進(jìn)行講解。
圖4 左圖右手油門,右圖左手油門
遙控器“MODE 1”和遙控器“MODE 2”之間的區(qū)別是根據(jù)不同人的用手偏好,將油門通道放在左側(cè)或右側(cè)。建議您進(jìn)行嘗試后再決定購買以上兩種類型遙控器中的哪一種。
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基本的飛行
為了控制您的飛行器,您需要知道并深刻理解基本的橫滾(Roll)、俯仰(Pitch)、偏航(Yaw)和油門(Throttle)指令及這些指令在三維空間施加到飛行器上所產(chǎn)生的運(yùn)動效果。
圖5 橫滾、俯仰、偏航、油門指令對應(yīng)通道
以上指令被施加可懸停飛行器如直升機(jī)、多旋翼上和被施加到前向飛行飛行器如固定翼飛行器上,飛行器會產(chǎn)生不同的響應(yīng)。
- 可懸停飛行器(如直升機(jī)、多旋翼或垂直起降無人機(jī))的基本運(yùn)動:。
圖6 控制指令對四旋翼控制效果圖
需要牢記的是對于可懸停飛行器(多軸無人機(jī),直升機(jī))而言,
- 橫滾指令會產(chǎn)生左移/右移飛行效果;
- 俯仰指令會產(chǎn)生前進(jìn)/后退飛行效果;
- 偏航指令會產(chǎn)生基于飛行器中心點左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)飛行效果。
圖7 控制指令對固定翼控制效果圖
需要牢記的是對于前向飛行飛行器(固定翼無人機(jī))而言,
- 橫滾指令會產(chǎn)生左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)彎飛行效果;
- 俯仰指令會產(chǎn)生上升/下降飛行效果;
- 偏航指令會產(chǎn)生尾翼的左旋轉(zhuǎn)/右旋轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)彎飛行效果。
使用以上4種基本的命令您可以在空中任何方向操控您的無人機(jī)進(jìn)行飛行。最重要的是您將可以進(jìn)行飛行器中最重要的飛行操作 – 起飛和降落。
(二)PX4無人機(jī)機(jī)架選擇
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機(jī)架選型
如果您計劃在無人機(jī)上使用PX4,在選機(jī)架之前,首先您應(yīng)該回答的問題就是您的無人機(jī)的用途是什么。
是用來完成某種工作還是只是為了娛樂?續(xù)航時間和覆蓋范圍要求是多少?
- 如果需要精準(zhǔn)的懸停功能并且可以接受較短的續(xù)航時間,建議選用多旋翼無人機(jī);
- 如果對續(xù)航時間和覆蓋范圍要求較高的話,建議選用固定翼無人機(jī);
- 有一種混合類型的飛行器叫“垂直起降飛行器”,它可以像多旋翼一樣垂直起飛,起飛完成后變成像固定翼飛行器一樣前向飛行。
垂直起降飛行器集多旋翼無人機(jī)和固定翼多旋翼無人機(jī)優(yōu)點于一身,具有比多旋翼無人機(jī)更長的續(xù)航、更大的覆蓋范圍以及與固定翼無人機(jī)相比具有精準(zhǔn)懸停的能力。
越來越多類型的機(jī)架已經(jīng)被調(diào)整地可以使用PX4進(jìn)行完美飛行,例如DJI F450也就是風(fēng)火輪F450機(jī)架。
具體有哪些飛控參數(shù)需要被調(diào)整以及如何調(diào)整這些參數(shù)以達(dá)到完美飛行,我們會在逐步深入講解中一一道來。
圖1 四旋翼無人機(jī)機(jī)架示意圖
(橙色三角指向為機(jī)器頭朝向,
四個電機(jī)箭頭方向為電機(jī)轉(zhuǎn)向)
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機(jī)架配置
一旦選中并購買或組裝了機(jī)架后,在對無人機(jī)的飛控初始化階段,你需要從地面站QGroundControl中眾多的機(jī)架模板中選擇一款和你使用的構(gòu)造類似的機(jī)架。
圖2 地面站QGroundControl中機(jī)架模板
(三)PX4無人機(jī)飛控選擇
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Pixhawk飛控
第一代Pixhawk飛控
所謂無人機(jī)的飛控,就是無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。
無人機(jī)飛控能夠穩(wěn)定無人機(jī)飛行姿態(tài),并能控制無人機(jī)自主或半自主飛行,是無人機(jī)的大腦。
Pixhawk是第一款專門為PX4自駕軟件而設(shè)計的無人機(jī)飛控。第一個版本的Pixhawk被命名為Pixhawk v1,也被稱作FMUv1,它包含PX4FMU和PX4IO兩部分。
PX4FMU是Pixhawk v1飛控的核心控制部分,主要負(fù)責(zé)姿態(tài)解算等等算法的執(zhí)行;PX4IO主要負(fù)責(zé)飛控各外設(shè)接口的管理。
- PX4FMU
- PX4IO
第二代Pixhawk飛控
繼FMUv1飛控之后,第二代飛控被稱為Pixhawk v2或FMUv2。
在FMUv2這個版本飛控中,第一代中的PX4FMU和PX4IO被合并到了一個PCB上,成為了真正的一體化飛控。
Pixhawk v2
Pixhawk v2是當(dāng)前最流行的Pixhawk飛控。
Pixhawk v2.4.5是Pixhawk v2的子版本。
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開源硬件概念
Pixhawk飛控是開源硬件架構(gòu),所以全世界很多公司出品了基于Pixhawk的飛控產(chǎn)品。他們都有共同的硬件架構(gòu)和相同的連接方式、輸出接口及功能,僅僅是具體形式不同而已,例如接口的位置不同、外殼不同等等。
下面是一些衍生的Pixhawk控制器。
HKPilot32
Pixfalcon
AUAV-X2
所有的Pixhawk飛控都有同樣的連接方式和設(shè)置流程。
注:除了PX4這款自駕儀軟件,還有一種飛行協(xié)議棧(或稱自駕儀軟件)可以被燒寫到Pixhawk飛控,那就是非常流行的ArduPilot或稱為APM的自駕儀軟件。因此很多人覺得很困惑并以為把Pixhawk同APM相提并論是不對的。
請牢記,Pixhawk飛控是硬件平臺,而PX4和APM都是開源的可以燒寫到Pixhawk飛控中的自駕儀軟件。
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高通驍龍無人機(jī)飛控
無人機(jī)畢竟只是飛行平臺,在飛行過程中,通常有很多的如圖像分析、避障以及許多的在線服務(wù)和系統(tǒng)集成等任務(wù)需要處理。
在驍龍飛控誕生之前,通常是使用樹莓派之類的微處理器與飛控協(xié)同工作,這種通常的集成方式有時很繁瑣,對于普通用戶而言很難成功實現(xiàn)。
高通公司解決了這個集成難的問題,并且真正地實現(xiàn)了把用于處理多任務(wù)的微處理器和飛控處理器集成到了一塊電路板上。
高通驍龍無人機(jī)飛控
這款飛控?fù)碛兴暮薈PU、一個功能的GPU以及很多的攝像頭和傳感器。它可以在使用PX4自駕儀軟件控制飛行器飛行的同時,還可以作為微機(jī)處理很多額外的任務(wù)。
(四)PX4無人機(jī)傳感器選擇
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無人機(jī)傳感器簡介
由于Pixhawk飛控已經(jīng)內(nèi)置了傳感器,PX4自駕儀完全可以在飛控沒有任何外部傳感器的情況下完成對無人機(jī)的飛行控制。
Pixhawk飛控內(nèi)置了三軸陀螺儀+三軸加速度計+三軸磁力計+氣壓計傳感器(氣壓計被用于獲取無人機(jī)高度信息)。
強(qiáng)烈建議在機(jī)上安裝GPS來釋放飛行器的全部潛力,并且安裝GPS后無人機(jī)可以在全自動模式下完成任務(wù)。
GPS/COMPASS
由于Pixhawk內(nèi)置的磁力計非??拷渌碾娮悠骷?,所以它很容易受到電磁干擾。
為了減小這種干擾,通??稍陲w控上再外接一個磁力計,并且盡量將該磁力計遠(yuǎn)離飛行器上其他電子器件。
空速傳感器對于大部分的固定翼無人機(jī)及垂直起降無人機(jī)而言都是必須配備的??账賯鞲衅髦匀绱酥匾且驗槌丝账儆嬐釶X4自駕儀沒有其他的手段來檢測失速。推薦使用數(shù)字空速傳感器。
空速計
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無人機(jī)測距
隨著時間的推移,市場上出現(xiàn)了越來越多廉價的激光雷達(dá)測距儀。
這些傳感器通常被用于在無人機(jī)降落的最后階段進(jìn)行高度精準(zhǔn)測量,也可以被用于無人機(jī)避障。
PulsedLight發(fā)布了型號為Lidar-Lite2激光雷達(dá)測距儀,這款很經(jīng)濟(jì)的測量設(shè)備被廣泛運(yùn)用在無人機(jī)等各種應(yīng)用場景。它可以測量距離、速度和從0到40米距離內(nèi)的合作及非合作目標(biāo)的信號強(qiáng)度。與同類發(fā)射單一光束的測距傳感器相比,該設(shè)備性能較好。
Lidar-Lite2
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無人機(jī)定位
在飛控外接了GPS模塊,且GPS信號良好的情況下,無人機(jī)可以融合GPS信號信息進(jìn)行定位。
但在沒有GPS信號的的情況下,通常光流傳感器被用來作為定位設(shè)備。
PX4FLOW
集成了聲吶傳感器的光流智能攝像頭可以進(jìn)行運(yùn)動跟蹤。聲吶和攝像頭的信息被送到Pixhawk飛控進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以實現(xiàn)定位功能。
(五)PX4自駕儀初步配置
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QGroundControl下載&安裝
環(huán)境
硬件:PC/Mac/移動終端、Pixhawk飛控
軟件:QGroundControl地面站
固件:PX4
QGroundControl支持列表
QGroundControl運(yùn)行在以上列表平臺設(shè)備上,PX4固件運(yùn)行在Pixhawk飛控上。
地面站連接飛控示意圖
見者有份兒,先來福利一發(fā)!
使用電腦或移動終端下載對應(yīng)平臺的QGroundControl地面站,完成QGroundControl安裝后,連接Pixhawk飛控,就可以開始對自駕儀PX4進(jìn)行配置了。
QGroundControl下載鏈接
對PX4自駕儀的配置請熟練掌握以下幾個姿勢:
- 機(jī)架選型,可以選擇直升機(jī)、多旋翼、垂直起降無人機(jī)等等
- 校準(zhǔn)自駕儀的傳感器并選擇正確的自駕儀放置方位
- 校準(zhǔn)遙控器
- 配置遙控器上的開關(guān)來控制飛行模式
除此之外,還有很多項是可以使用地面站進(jìn)行配置的,但以上幾步是必不可少的。
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QGroundControl視頻教程
視頻教程中主要內(nèi)容如下:
1、固件升級
2、機(jī)架選型
3、傳感器校準(zhǔn)
4、遙控器校準(zhǔn)
5、飛行模式通道設(shè)置
注意:待地面站每一個選項卡右側(cè)的紅點變成綠點后表示該項校準(zhǔn)完成,如未變成綠色,需要重復(fù)校準(zhǔn)。
(六)PX4無人機(jī)飛行模式配置
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飛行模式配置步驟
環(huán)境
硬件:PC/Mac/移動終端、Pixhawk飛控、遙控器
軟件:QGroundControl地面站
固件:PX4
飛行模式?jīng)Q定了飛控如何響應(yīng)用戶的控制信號。
PX4自駕儀支持多種飛行模式,但在實際使用中并需要配置那么多飛行模式,按需配置即可。
飛行模式配置步驟:
- 使用USB線或數(shù)傳連接pixhawk和QGroundControl;
- 使用QGroundControl配置所需PX4飛行模式(具體操作見下文);
- 使用遙控器或地面站控制PX4無人機(jī)飛行模式的切換。
*注:如果遙控器和地面站同時連接了飛控,遙控器和地面站都可以切換飛控飛行模式。
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針對上文配置步驟中的第2點:使用QGroundControl配置所需PX4飛行模式。在此進(jìn)行詳細(xì)講解。
使用QGroundControl可以指定遙控器的一個或多個通道來實現(xiàn)pixhawk飛控飛行模式的切換。通常把遙控器三段開關(guān)的每一段分配一種飛行模式,通過撥動該開關(guān)達(dá)到切換飛行模式的目的。
如下圖所示,選中通道,并指定該通道在不同數(shù)值范圍的飛行模式即可。
單通道控制飛行模式
多通道控制飛行模式
在地面站中的飛行模式界面中為每種飛行模式選擇對應(yīng)的遙控器通道,通過改變遙控器的通道值達(dá)到對飛行模式控制的目的。
飛行模式通道設(shè)置截圖
注意:待地面站每一個選項卡右側(cè)的紅點變成綠點后表示該項配置完成,如未變成綠色,需要重復(fù)操作。
(七)PX4無人機(jī)硬件連接
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PX4無人機(jī)硬件連接
(Note: The image above is from 3DR.)
- 飛控(Pixhawk)
- 電源模塊(Power Module)
- 電池(Battery)
- 電池報警器(Battery Warning)
- 電調(diào)(ESC)
- 電機(jī)(Motor)
- 脈位調(diào)制信號接收器(PPM Sum Receiver)
- 遙控器接收器(Remote Controller Receiver)
- 遙控器發(fā)射器(Transmitter)
- 全球定位系統(tǒng)接收器和電子羅盤(GPS & Compass)
- 蜂鳴器(Buzzer)
- 安全開關(guān)(Switch)
- 數(shù)傳(Telemetry)
- 平板電腦(Tablet)
- 云臺(Gimbal)
- 相機(jī)(Camera)
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填坑
以上設(shè)備清單中各項設(shè)備的作用和工作原理都比較容易理解,這里只對清單中標(biāo)綠的幾項進(jìn)行重點說明,破除知識盲點,避免入坑。
- 電池報警器
- 作用:本質(zhì)上是電壓檢測器,其主要目的是防止鋰電池過放;
- 工作原理:電池報警器可以自動檢測鋰電池總電壓和每個電芯的電壓,當(dāng)電壓低于該報警器設(shè)定電壓值,就會觸發(fā)蜂鳴器鳴叫報警。
- 電機(jī)
- 作用:為無人機(jī)提供動力;
- 說明:上圖是一個航拍四旋翼的方案,所以只有4個電機(jī),但Pixhawk飛控目前最多支持接入8個電機(jī)。一旦確定飛控的位置后,電機(jī)的轉(zhuǎn)向就確定了,如果出現(xiàn)非理想電機(jī)轉(zhuǎn)向,只需交換電機(jī)三根線中的任意兩根即可。
- 脈位調(diào)制信號接收器
- 作用:將遙控器接收器的多路PWM信號轉(zhuǎn)換成一路PPM信號并輸出給Pixhawk;
- 工作原理:通常遙控器接收器輸出的信號是PWM信號,而Pixhawk無法解碼PWM信號,所以需要PPM模塊將遙控器接收器的PWM信號轉(zhuǎn)換成PPM信號并輸出給Pixhawk。但這個單獨的PPM模塊并不是必須的,因為有些遙控器接收器本身就可以輸出Pixhawk可以解碼的PPM信號。
- 電子羅盤
- 作用:為無人機(jī)提供方位數(shù)據(jù);
- 說明:Pixhawk飛控本身具有電子羅盤,然而內(nèi)置電子羅盤易受電機(jī)及其他電路干擾,外接電子羅盤通常被放置在電磁干擾比較小的位置,以獲得更可信的方位數(shù)據(jù),強(qiáng)烈推薦安裝外置羅盤。
- 平板電腦
- 作用:無人機(jī)地面站軟件運(yùn)行硬件平臺;
- 工作原理:地面站可以通過數(shù)傳對無人機(jī)進(jìn)行設(shè)置和控制,由于地面站支持多平臺,所以也可以使用PC或Mac等代替平板電腦。
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飛行任務(wù)規(guī)劃
PX4無人機(jī)飛行任務(wù)規(guī)劃非常簡單,只需要點擊QGroundControl地面站最上面一排選項卡切換到任務(wù)視圖(選項卡變成黃色表示被選中),點擊左上角的?(加號)圖標(biāo),然后點擊屏幕地圖即可進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。
任務(wù)規(guī)劃前任務(wù)視圖
需要注意的是,只需要點擊一次左上角加號,就可以通過在屏幕上進(jìn)行連續(xù)多次點擊設(shè)置多個航點,按照航點順序會自動生成航線。
每個航點信息會顯示在地面站右側(cè),同時可以編輯航點的停留時間、相對高度等信息。
例如下圖中無人機(jī)將在航點6停留0秒,相對歸航點(Home Position)的高度為25米。
任務(wù)視圖底部顯示的是每個航點和上一個航點的相對距離(Distance)、相對高度(Alt diff)、傾斜度(Gradient)等信息。
例如航點1和航點2的相對距離為176.76米,相對高度為25米,則傾斜度為tanα=25/176.76≈14%。
以上操作后,點擊左上角任務(wù)發(fā)送按鈕(Send To Vehicle),即可將規(guī)劃好的任務(wù)發(fā)送給無人機(jī)。
發(fā)送飛行任務(wù)到無人機(jī)
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完成上述任務(wù)規(guī)劃及任務(wù)上傳后,將地面站切換到飛行視圖,解鎖PX4無人機(jī),無人機(jī)即可自動按照規(guī)劃好的任務(wù)路徑進(jìn)行飛行,地面站將實時顯示無人機(jī)飛行軌跡。
QGroundControl地面站進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃相對比較簡單,但在飛行任務(wù)執(zhí)行階段需要確保場地滿足飛行要求,以保證安全飛行。
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