ppz Pixhawk和Paparazzi从入门到精通：开源飞控概述

总结

无人机(UAV)是利用无线电遥控设备和自带程序控制装置的无人飞行器，包括无人直升机、固定翼飞机、多旋翼飞机、无人飞艇和无人翼伞飞机。广义上也包括空 (20-100 km 空域附近的飞行器，如平流层飞艇、高空空气球、太阳能无人机等。从某个角度来看，无人机无需驾驶就能完成复杂空的飞行中任务和各种载荷任务，可视为“空中机器人”。

飞控系统是无人机完成起飞、空飞行、执行任务、返场回收等整个飞行过程的核心系统。无人机的飞行控制相当于载人飞机的飞行员，因此我们认为它是无人机的核心技术之一。飞行控制一般包括传感器、机载计算机和伺服作动设备三部分，其功能主要包括无人机姿态稳定与控制、无人机任务设备管理和应急控制。飞行控制根据源代码是否公开分为开源飞行控制和商品飞行控制:

(1)开源飞行控制

本着开源的精神，来自世界各地的精英们已经开放了无人机的工作，主要包括Microcompter、Paparazzi、Autoquad、OpenPilot、MWC、KK、APM、PX4...Microcompter，paprazzi被认为是飞控开源的先驱，尤其是paprazzi以算法性强、稳定性好著称，下面还有很多版本，单片机采用ST和恩智浦方案。在基于Arduino的开发之后，用户数量最多的APM逐渐过渡到PX4/Pixhawk平台，采用双st单片机、冗余电源和传感器的方案，以满足未来更苛刻的需求和功能。

(2)商品飞行控制

国外没有著名的商业飞控，但是国内有很多，比如DJI，极限飞行，零度，一航...看外壳，DJI采用恩智浦方案(可以和狗仔队比)、极限飞行ST、零度有个AT91+FPGA、一航(呵呵，好像是APM，但不开放)，都可以从开源飞控中找到自己的影子，只要货有。

1)添加漂亮的外壳，特别是铝合金；

2)增加了优化算法。比如DJI好像有个H ∞的；

3)简化参数调整和线束。

个人认为，商用飞控没有核心技术，只是对开源飞控做了一个小的修改，简单易用。这本书主要讲一个开源飞控的代表，Pixhawk和Paparazzi。

1.1皮克斯霍克飞行控制

Pixhawk飞控采用Pixhawk作为飞行控制器。它是世界上最著名的开源飞行控制硬件制造商。3DR最近推出了最新一代的飞控系统，其前身是APM。由于APM处理器接近满负荷，无法满足更复杂的计算处理，硬件厂商采用最新标准的32位ARM处理器。第一代产品是PX4系列，分为飞控处理器PX4FMU和输入输出接口板PX4IO。PX4系列可以单独使用PX4FMU，但是布线很复杂，也可以和输入输出接口板PX4IO一起使用。但是由于没有统一的shell，很难修复，使用也比较复杂，基本属于一代实验版。通过PX4系列的经验，厂商最终简化了结构，将PX4FMU和PX4IO集成在一块板上，并增加了骨状外壳，对硬件和布线进行优化，这就是第二代产品Pixhawk。

Pixhawk的所有硬件都是透明的，一目了然的使用了什么芯片和传感器，所有的总线和外设都是引出的，不仅可以和以后的其他外设兼容，还为有开发能力的用户提供了方便。Pixhawk是双处理器飞行控制器，32位TM 32 F 427 Cortex M4核168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash处理器，协处理器32位STM 32 F 103，主要用于工业。其特点是安全稳定。所以即使主处理器崩溃，也有协处理器保证安全。

1 . 1 . 1 pix hawk的特性

Pixhawk是一款低成本高性能的自动驾驶仪。它继承和完善了APM和PX4的优点。本项目源于苏黎世联邦理工学院计算机视觉与几何实验室、自治系统实验室和自动控制实验室的PIXHAWK项目。它拥有ST公司的先进处理器和传感器技术，以及NuttX实时操作系统，可以实现惊人的性能、灵活性和可靠性来控制任何自主飞机。Pixhawk系统的优势包括:集成多线程，类似于Unix/Linux编程环境；新的自动驾驶功能，如任务和飞行行为的Lua脚本；定制PX4驱动程序层，确保所有任务的严格计时。这些高级功能确保您的飞机没有任何限制。Pixhawk允许现有的APM和PX4无缝过渡到系统，降低了新用户参与自主飞行精彩世界的准入门槛。

1 . 1 . 2 pix hawk的开发

Pixhawk飞控是PX4飞控系统的进一步发展。除了额外的输入输出、内存和其他功能之外，Pixhawk还将PX4-FMU控制器和PX4-输入输出集成在一个电路板上。Pixhawk是正版第三代飞控系统(APM->:PX4->；Pixhawk).我们的飞行导航软件经过高度优化，实现了飞机的控制和自动飞行。目前它的性能有足够的剩余，所以未来几年Pixhawk系统可以继续有效使用。

1.2狗仔队飞行控制

狗仔队(PPZ)是一个开源的软硬件项目。它始于2003年，旨在通过社区的建议和鼓励，建立一个非常强大和灵活的自动驾驶系统。是一个完整成熟的解决方案，不仅涵盖了飞机的硬件和软件，包括传感器、调压器、GPS接收机、自动驾驶软件和算法；同时；它还包括地面站的相关软件和硬件；包括各种调制解调器；天线和其他设备。同时，它还有一个不断发展的用户友好的地面控制站软件。

装备PPZ的无人机的体系结构可以理解为在普通飞机(普通航模飞机)上增加自动飞控板、相关传感器和无线Modem，在航模飞机上增加遥控单元标准，同时配置地面控制站(PC、调制解调器和天线)，使飞机通过接收地面站的指令最终实现自动驾驶飞行或自主调整姿态。

PPZ系统的关键特点是利用红外传感器和惯性测量传感器，通过计算提供强大而准确的姿态估计，使飞机无需地面人工控制和标定，就能自动调整飞行状态。控制器只需要在地面站给飞机设置任务，剩下的就交给飞机自己完成了。所有飞行控制、导航、姿态调整、任务执行等。由飞行控制板自动完成。当然，地面人员可以随时在自动控制和手动控制之间切换。

1.2.1灵活的PPZ

通过不同的设置，PPZ既可以用于驱动固定翼飞机，也可以用于驱动旋翼机。PPZ的灵活性体现在可以根据应用特点和侧重点(飞行速度、飞行距离、lag 空时间、载重量和价格)选择不同的飞机，配置不同的飞控板、传感器、通信模块和外设。

它的飞控板不仅仅只有一个型号，经过多年的发展演变，从PPZ的飞控板衍生出了十几个型号。这些飞控板是在不同年代设计的，不断改进和演变，为了不同的目的增减机载接口和模块，衍生出不同的型号。比如2013年夏天发布的Lisa/S飞控板，重量只有2.8克，是世界上最轻的通用飞控板。与此相关，PPZ有一个很大的硬件兼容性列表，涵盖了不同厂商的各种模块，如传感器(红外、陀螺仪、GPS、惯性测量、空速度)、调制解调器、遥控器、模拟/数字视频系统、天线等。

类似于组装一台台式电脑，用户可以根据自己的需要选择相关配置，搭建一个地面空无人机系统，配置可以极其灵活。以通讯模块为例:如果只在视线范围内玩，可以省略GPS，配置一个短距离2.4G调制解调器，纯手动控制；如果想实现远程全自主驾驶，可以配置GPS和远程无线调制解调器实现飞行数据回传和控制；如果在电信运营商信号覆盖的区域内玩，可以使用3G通信模块向地面站传输数据。

除了硬件列表中列出的设备，PPZ的大部分飞控板也有GPIO接口，所以外部设备可以通过编程控制。最常见的例子是控制外部摄像头进行航拍。在无人机的设计、装配和调试过程中，所有的配置数据都是通过一个管理中心系统(Paparazzi Center)进行配置，并以xml文件的形式存储。

1 . 2 . 2 ppz数据共享

PPZ不同于常见的纯粹以代码为中心的开源软件项目。它不仅使用Github托管代码，还使用硬件原理图的CAD设计稿等设计数据。PPZ的成功运营需要对主板、各种外围传感器和转向电机进行适配、校正和调试，对航空空飞机进行适当的参数设置，需要一定的经验。PPZ将其主网站建设成一个WIKI，让任何人都可以注册一个账号，编辑和改进条目，补充和分享自己的经验。这样，PPZ汇集了来自世界各地的精英爱好者的智慧，以及各种第一手实验数据和经验。另外，由于开源的优势，PPZ可以利用开源社区的各种优质软件(如gpsd)，避免重复劳动，专注于自动导航的研究与实现。开放让PPZ发展非常强劲。

1 . 2 . 3 ppz在行业中的地位和影响

PPZ在行业内口碑很高，多次获得多项荣誉。目前，PPZ官网最新消息显示，在不久前9月结束的国际微型飞机大会暨飞行大赛(IMAV 2013)中，PPZ驾驶的飞机获得室外组第一名，室内组运行第一名，室内自主控制第三名。其中使用了最新的Lisa/S飞控板，仅重2.8克。可见PPZ在行业内的广泛应用及其实力。

毫无疑问，几乎所有从事无人机项目的公司都学习和理解了PPZ项目。所以，如果一个企业想做无人机相关的研发，PPZ应该会给予很大的帮助和启发。估计一般公司完全独立于PPZ做一个能和PPZ比的系统几乎是不可能的。如果初创公司根据PPZ的全开源软硬件设计和兼容硬件列表找到一个载体(或者自己设计一个)，并进行适当的适配，就可以快速推出自己的产品——这往往是初创公司推出产品的捷径。但需要注意的是，由于PPZ是开源的，竞争对手可以推出类似的同质产品，如何在PPZ的光环之外打造自己的特色，往往是这些企业最重要的考虑因素。

1.2.4人们如何开始使用PPZ

PPZ非常适合模特爱好者和极客。对于个人DIY爱好者来说，PPZ官网的wiki知识库已经覆盖了所有需要的基础知识，所以官网应该是一个不错的起点。国内一些模联论坛，很多玩家交流分享了经验，可以上去找找。在一条裤子上搜索PPZ也能带出很多视频，都是资深玩家贡献的知识。

对于初级个人玩家来说，Ubuntu Linux作为官方推荐的地面站操作系统和编译环境，可能需要一段时间的适应。此外，各种传感器和电路板也是一个棘手的问题。与开源软件不同，开源硬件的成本只有一台电脑和一些带宽。毕竟硬件买焊接电路板需要花钱买真材实料，门槛略高。如果玩家只想体验组装、调试、飞行的乐趣，官网有卖控制板和配套硬件的厂商(国外厂商很多)；另外，Lisa/M的飞控板也是在某宝上看到的，或许可以试试。

PPZ项目是一个开放的大型无人机知识库，个人、公司、研究机构都可以从中受益匪浅。相信未来PPZ将在无人机领域发挥更大的影响力，进一步引领无人机领域。

来源:无人机和模型飞机技术