無(wú)人機為何“一夜爆紅”？開(kāi)源飛控在其后助力

四旋翼飛行器的普及很大程度上得益于開(kāi)源飛控的發(fā)展。

在21世紀，無(wú)人機已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，不過(guò)奇怪的是它仿佛是一夜之間飛入尋常百姓家，這是為什么呢？要知道無(wú)人機曾經(jīng)發(fā)展的“攔路虎”是自動(dòng)駕駛儀，只有這個(gè)設備的技術(shù)難關(guān)被攻克，無(wú)人機才能快速普及。頗為專(zhuān)業(yè)的講，無(wú)人機的發(fā)展很大程度上是得益于開(kāi)源飛控的發(fā)展。想必你現在如墮五里霧中，快快跟隨北航無(wú)人駕駛飛行器設計研究所兩位教授的思路，帶著(zhù)問(wèn)題，一起圍觀(guān)開(kāi)源飛控的技術(shù)和故事。（本文整理自北航無(wú)人駕駛飛行器設計研究所兩位教授的文稿）

一、開(kāi)源是什么意思？

開(kāi)源(Open Source)的概念最早被應用于開(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)源項目均擁有自己的論壇，由團隊或個(gè)人進(jìn)行管理，論壇定期發(fā)布開(kāi)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(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)有在原設計者核準前被生產(chǎn)，銷(xiāo)售和授權，并且沒(méi)有使用任何原設計者擁有的商標。硬件設計的源代碼的特定格式可以被其他人獲取，以便對其進(jìn)行修改。在實(shí)現技術(shù)自由的同時(shí)，開(kāi)源硬件提供知識共享并鼓勵硬件設計開(kāi)放交流貿易。

開(kāi)源硬件(OSHW)定義1.0是在軟件開(kāi)源定義基礎上定義的。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。

二、開(kāi)源飛控是何物？

我們已經(jīng)知道了開(kāi)源硬件的概念，那么開(kāi)源飛控的概念也不難理解。所謂開(kāi)源飛控就是建立在開(kāi)源思想基礎上的自動(dòng)飛行控制器項目(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)，不但可以購買(mǎi)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目的開(kāi)發(fā)成果。

值得一提的是，由于開(kāi)源項目的使用具有商業(yè)性，每個(gè)開(kāi)源飛控項目都會(huì )給出官方的法律條款以界定開(kāi)發(fā)者和使用者權利，不同的開(kāi)源飛控對其法律界定都有所不同。

三、開(kāi)源飛控是如何發(fā)展過(guò)來(lái)的？

不得不提，四旋翼飛行器以p結構簡(jiǎn)單、操控便捷、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，最先從花樣百出的無(wú)人機中脫穎而出，備受大眾青睞。由于這種飛行器對飛行控制能力的要求是最高的，它同時(shí)推動(dòng)著(zhù)眾多基于MEMS傳感器的開(kāi)源飛控的出現。開(kāi)源飛控的發(fā)展可大致分為三代。

第一代開(kāi)源飛控系統使用Arduino或其他類(lèi)似的開(kāi)源電子平臺為基礎，擴展連接各種MEMS傳感器，能夠讓無(wú)人機平穩地飛起來(lái)，其主要特點(diǎn)是模塊化和可擴展能力。

第二代開(kāi)源飛控系統大多擁有自己的開(kāi)源硬件、開(kāi)發(fā)環(huán)境和社區，采用全集成的硬件架構，將全部10DOF傳感器、主控單片機，甚至GPS等設備全部集成在一塊電路板上，以提高可靠性。

它使用全數字三軸MEMS傳感器組成航姿系統(IMU)；能夠控制飛行器完成自主航線(xiàn)飛行，同時(shí)可加裝電臺與地面站進(jìn)行通信，初步具備完整自動(dòng)駕駛儀的功能。此類(lèi)飛控還能夠支持多種無(wú)人設備，包含固定翼飛行器、多旋翼飛行器、直升機和車(chē)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)駕駛儀標準。

第三代開(kāi)源飛控系統將會(huì )在軟件和人工智能方面進(jìn)行革新。它加入了集群飛行、圖像識別、自主自主避障、自動(dòng)跟蹤飛行等高級飛行功能，向機器視覺(jué)、集群化、開(kāi)發(fā)過(guò)程平臺化的方向發(fā)展。

四、這些開(kāi)源飛控傳奇你怎么能錯過(guò)？

1）Arduino飛控

要想了解開(kāi)源飛控的發(fā)展就必須先了解著(zhù)名的開(kāi)源硬件項目Arduino。

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年在意大利交互設計學(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)源硬件平臺和開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以從Arduino官方網(wǎng)站取得硬件的設計文檔，調整電路板及元件，以符合自己實(shí)際設計的需要。

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三大主流操作系統上運行。

隨著(zhù)該平臺逐漸被愛(ài)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計源代碼，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(zhù)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)。

2）APM飛控

APM(ArduPilotMega)是在2007年由DIY無(wú)人機社區(DIY Drones)推出的飛控產(chǎn)品，是當今最為成熟的開(kāi)源硬件項目。APM基于A(yíng)rduino的開(kāi)源平臺，對多處硬件做出了改進(jìn)，包括加速度計、陀螺儀和磁力計組合慣性測量單元(IMU)。由于A(yíng)PM良好的可定制性，APM在全球航模愛(ài)好者范圍內迅速傳播開(kāi)來(lái)。通過(guò)開(kāi)源軟件Mission Planner，開(kāi)發(fā)者可以配置APM的設置，接受并顯示傳感器的數據，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。

目前APM飛控已經(jīng)成為開(kāi)源飛控成熟的標桿，可支持多旋翼、固定翼、直升機和無(wú)人駕駛車(chē)等無(wú)人設備。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，并完成自主起降、自主航線(xiàn)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，在室內實(shí)現定高和定點(diǎn)飛行。

3）PX4和PIXHawk

PX4是一個(gè)軟硬件開(kāi)源項目(遵守BSD協(xié)議)，目的在于為學(xué)術(shù)、愛(ài)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(gè)項目源于蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的計算機視覺(jué)與幾何實(shí)驗室、自主系統實(shí)驗室和自動(dòng)控制實(shí)驗室的PIXHawk項目。PX4FMU自駕儀模塊運行高效的實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)，Nuttx提供可移植操作系統接口（POSIX）類(lèi)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飛控的升級版本，擁有PX4和APM兩套固件和相應的地面站軟件。該飛控是目前全世界飛控產(chǎn)品中硬件規格最高的產(chǎn)品，也是當前愛(ài)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(diǎn)運算核心的Cortex-M4的單片機作為主控芯片，內置兩套陀螺和加速度計MEMS傳感器，互為補充矯正，內置三軸磁場(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。

基于其高速運算的核心和浮點(diǎn)算法，PIXHawk使用最先進(jìn)的定高算法，可以?xún)H憑氣壓高度計便將飛行器高度固定在1米以?xún)?。它支持目前幾乎所有的多旋翼?lèi)型，甚至包括三旋翼和H4這樣結構不規則的產(chǎn)品。它使飛行器擁有多種飛行模式，支持全自主航線(xiàn)、關(guān)鍵點(diǎn)圍繞、鼠標引導、“FollowMe”、對尾飛行等高級的飛行模式，并能夠完成自主調參。

PIXHawk飛控的開(kāi)放性非常好，幾百項參數全部開(kāi)放給玩家調整，靠基礎模式簡(jiǎn)單調試后亦可飛行。PIXHawk集成多種電子地圖，愛(ài)好者們可以根據當地情況進(jìn)行選擇。

4）OpenPilot與Taulabs

OpenPilot是由OpenPilot社區于2009年推出的自動(dòng)駕駛儀項目，旨在為社會(huì )提供低成本但功能強大的穩定型自動(dòng)駕駛儀。這個(gè)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(yǔ)言編寫(xiě)，而地面站則用C++編寫(xiě)，并可在Windows、Macintosh OSX和Linux三大主流操作系統上運行。

OpenPilot的最大特點(diǎn)是硬件架構非常簡(jiǎn)單，從它目前擁有的眾多硬件設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(kāi)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。

到這里，我們不得不說(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(jìn)行的是三自由度姿態(tài)控制，而不是增穩），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(cháng)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)設置便可更改飛機種類(lèi)、飛行模式、支持云臺增穩等功能。

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)電臺實(shí)時(shí)監測飛機狀態(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(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，并擴展了氣壓高度計和三軸磁場(chǎng)傳感器，將主控單片機升級為帶有硬件浮點(diǎn)運算的Cortex-M4核心。該飛控是最早支持自動(dòng)調參的開(kāi)源飛控產(chǎn)品，帶有模型辨識算法，能夠在飛行中進(jìn)行自整定姿態(tài)PID控制參數。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(diǎn)、回家等功能。飛控集成了電子地圖，且界面非常友好，使用向導模式進(jìn)行初始化，初學(xué)者可以簡(jiǎn)單上手。

5）Multi Wii Copter （MWC）

Multi Wii Copter（MWC）飛控是一款典型的Arduino衍生產(chǎn)品，是專(zhuān)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設備升級和使用的方法。由于成本低、架構簡(jiǎn)單、固件比較成熟，因此該飛控在國內外擁有大量愛(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(lèi)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(kāi)發(fā)趣味性較強，容易博得大家的喜愛(ài)。

6）KKMulti Copter

KK飛控是源于韓國的一款開(kāi)源飛控項目，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，配合一臺最簡(jiǎn)單的四通道遙控設備，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型和上下對置等多種布局。該飛控使用三個(gè)可調電阻調整感度作為調參方法，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”級經(jīng)典飛控，依然擁有眾多玩家。

7）Paparazzi(PPZ)

Paparazzi(PPZ)是一個(gè)軟硬件全開(kāi)源的項目，它始于2003年，開(kāi)發(fā)目標是建立一個(gè)配置靈活且性能強大的開(kāi)源飛控項目。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，包括各種調制解調器、天線(xiàn)等設備。從功能上講，PPZ已經(jīng)接近一個(gè)小型的無(wú)人機系統了。

該開(kāi)源項目的另一個(gè)特點(diǎn)是采用ubuntu操作系統，它將全部地面站軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境集成于該系統下，官方稱(chēng)之為L(cháng)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(kāi)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(zhù)傳感器升級而不斷升級IMU硬件。

8）Autoquad飛控和ESC32電調

Autoquad飛控來(lái)自德國，作為早期開(kāi)源飛控，Autoquad功能非常強大，但是受限于當時(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部不集成數模轉換器(ADC)和運算核心，而直接將微機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，需要主控單片機進(jìn)行AD采集。

因為傳感器在不同溫度環(huán)境下，輸出值會(huì )受到影響，模擬MEMS傳感器給參數校準帶來(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，而一些廠(chǎng)家為了保證批量產(chǎn)品的穩定性，只能在飛行器上對電路板進(jìn)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帶來(lái)了額外的樂(lè )趣，很多人反而樂(lè )此不疲。對于大多數普通愛(ài)好者而言，這實(shí)在是一項難度不小的工作。隨著(zhù)帶有出廠(chǎng)校準的數字傳感器的普及，Autoquad作為歷史的積淀，也完成了它的使命。

但是，該開(kāi)源項目的另一個(gè)分支。ESC32電調卻逐漸在玩家中被接受了。該電調是第一個(gè)采用數字接口進(jìn)行控制的電調產(chǎn)品，玩家可以通過(guò)串口、I2C接口和CAN接口來(lái)控制電機的轉速，這比傳統的PWM接口信息速度要快很多倍。常見(jiàn)的PWM電調波形更新速度為每秒鐘四百次，而數字接口的更新速度可達到百萬(wàn)次。尤其是對于動(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。該電調還支持轉速閉環(huán)，并且能夠針對電機進(jìn)行詳細調參，這些功能都是傳統航模電調不能比擬的。

當然，Autoquad也在進(jìn)步，但是面對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。最近，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(jìn)行了全面升級，采用常見(jiàn)的STM32F4單片機和數字傳感器。

開(kāi)源飛控還在不斷發(fā)展，所以四旋翼飛行器這類(lèi)的產(chǎn)品成本在不斷降低，性能卻在不斷地提升。隨著(zhù)無(wú)人機技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)更多人將感受到無(wú)人機飛行的樂(lè )趣。

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