开源PX4 / PIXHAWK系列开源飞控系统介绍

一、开源Ardupilot / APM 

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，接收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。

开源飞控系统在广大飞控爱好者、机构的开发维护下，功能日渐强大，系统趋于完善。而且，开源系统的开发维护都是基于Google Code、GitHub等开放式开发平台，开发者们为了保证远程协作的顺利进行，通常会维护一个详尽具体的说明文档，这也是开源飞控系统一个突出的特点，即整套飞控系统的开发说明文档十分详细，入门教程丰富，非常适合新手学习、了解，或者基于现有飞控系统做二次开发。

PX4、APM等开源飞控凭借完善强大的功能以及相关技术支持，为无人机产品线的开发铺平了道路。大量实践表明：一名电子或者自动化相关专业的硕士研究生甚至本科生发烧友，或者相关专业从业人员，都可以按照相关手册、教程在较短的时间内开发出一台功能齐备的无人机样机，这也是随后出现的井喷现象的一个技术基础。

编辑：黄飞