背景描述

近年來無人機應(yīng)用市場日趨火熱，無人機開始被應(yīng)用在多個領(lǐng)域之中，比如航拍，植保，運輸，安防等。隨著應(yīng)用場景的增加，對于無人機的大腦一飛控，的性能和功能要求也變得越來越高。國內(nèi)具有一大批優(yōu)質(zhì)的無人機企業(yè)，如DJI，零度，億航，極飛等。可是這些企業(yè)的飛控系統(tǒng)并不開源，而開源飛控市場卻基本被國外所壟斷，比如APM, PX4, Autoquad等，國內(nèi)目前還沒有一款開源飛控可以與之抗衡，在國際上也沒有令人熟知的“國產(chǎn)”開源飛控。正是基于開發(fā)出一款世界知名的中國的開源飛控，我從2016年開始了StarryPilot這個項目。飛控的設(shè)計理念是一款輕量，功能強大的飛控，主要面向科研和無人機行業(yè)應(yīng)用，使得無人機開發(fā)技術(shù)更加普及，也更容易將無人機技術(shù)應(yīng)用到各個行業(yè)。

無人機整機

Pixhawk

室外定高飛行

Gazebo HITL(硬件在環(huán))仿真

Msh shell系統(tǒng)

開發(fā)環(huán)境

主控：STM32F427 + STM32F100(從控制器)

編譯環(huán)境: Keil MDK5.23

RT-Thread版本: RTT-2.1.0

硬件設(shè)計

硬件采用國外開源的自駕儀Pixhawk(https://pixhawk.org/modules/pixhawk), 如下圖所示。Pixhawk也是目前世界上應(yīng)用最廣，支持的飛控系統(tǒng)最多的開源飛控硬件。

其主要性能參數(shù)如下：

168MHz / 256 MIPS Cortex M4F

14路 PWM/伺服 輸出

外擴總線接口 (I2C,CAN,UART)

冗余電源輸入

外部安全開關(guān)

多色LED指示燈

外置microSD卡槽

傳感器：

ST Micro L3GD20 16位陀螺儀

ST Micro LSM303D 16位加速度計/磁力計

Invensense MPU 6000 三軸加速度計/陀螺儀

MEAS MS5611 氣壓計

接口：

5x UART, 2x CAN, I2C, SPI

DSM/DSM2/DSM-X 衛(wèi)星兼容輸入

PPWM, S-BUS

3.3 和 6.6V ADC輸入

microUSB

整個系統(tǒng)除了Pixhawk之外，還有一些外接的電子設(shè)備，如無刷電機，GPS，電調(diào)，數(shù)傳，RC接收機，Lidar-Lite激光雷達等。整體的系統(tǒng)框架圖如下圖所示：

軟件設(shè)計

軟件采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，如下圖所示，從底層到上層分別是Driver層，RTOS(RTT + Fatfs)，HAL硬件虛擬層，F(xiàn)ramework層和應(yīng)用層。

一、Driver層

Driver層實現(xiàn)了Pixhawk板載的所有硬件設(shè)備的驅(qū)動，如傳感器設(shè)備(陀螺儀，加速度計，磁力計，氣壓計等)，總線設(shè)備(UART, I2C, SPI等)，USB，電機驅(qū)動，SD卡驅(qū)動，GPS驅(qū)動，LED燈以及一些板載設(shè)備的驅(qū)動。各個驅(qū)動以Device的形式向RTT進行注冊，并且提供各自的init(), read(), write, ioctrl()函數(shù)供上層調(diào)用。這里僅以hmc5883磁力計的驅(qū)動舉例說明驅(qū)動程序的一般設(shè)計步驟。

- 設(shè)備初始化函數(shù)

如下為hmc5883的初始化函數(shù)。首先對設(shè)備的功能函數(shù)進行函數(shù)指針賦值，這里定義了init(), read()和ioctrl()三個函數(shù)。然后向RTT注冊名為hmc5883的驅(qū)動設(shè)備，上層可以通過查找設(shè)備名的方式來獲取該驅(qū)動設(shè)備。接下來就是給hmc5883設(shè)置對應(yīng)的總線設(shè)備。這里 hmc5883使用的是i2c通信，所以初始化中會為其查找對應(yīng)的i2c設(shè)備。

- init()函數(shù)

Init()函數(shù)主要做一些芯片的初始化的工作，包括寄存器配置等。

- read()函數(shù)

read()函數(shù)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)讀取的功能,如原始磁場數(shù)據(jù)和標定后的磁場數(shù)據(jù)讀取。

- ioctrl()函數(shù)

Ioctrl()函數(shù)主要實現(xiàn)一些設(shè)備的配置功能，如設(shè)置測量磁場的范圍，采樣頻率等。

二、RTOS層

RTOS采用RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)，它的功能強大，除了提供基本的線程調(diào)度，內(nèi)存管理，同步等基本功能外，還提供了如msh的shell系統(tǒng)，device設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的整體架構(gòu)更加清晰，功能也更加完善。

三、HAL層

HAL層主要是對底層驅(qū)動設(shè)備進行進一步封裝，將具體的設(shè)備抽象為一個類別的設(shè)備。以串口設(shè)備為例，不同的硬件平臺，串口的底層驅(qū)動會有差異，通過HAL層，將串口設(shè)備封裝為統(tǒng)一的接口，這樣當系統(tǒng)移植到不同平臺的時候，上層代碼不需要做任何改變，而只需要將對應(yīng)底層驅(qū)動進行簡單替換就行。這將大大降低系統(tǒng)移植的復雜程度。

四、Framework層

Framework層實現(xiàn)了飛控設(shè)備的主要功能，如姿態(tài)估計，位置估計，控制器，通信，日志管理等等?？梢哉f，這一層是整個系統(tǒng)的核心，大部分的功能模塊都在這一層來實現(xiàn)。

五、Application層

應(yīng)用層是將飛控的各個大的功能進行分割，變成一個個小的功能。每個功能在系統(tǒng)中為一個單獨的線程，每個線程負責執(zhí)行自己的任務(wù)，并且跟其他線程通過IPC進行通信。Vehicle線程具有最高優(yōu)先級，執(zhí)行周期為1ms。其負責實現(xiàn)無人機飛行相關(guān)的所有功能，如狀態(tài)估計和電機的控制。

啟動流程

下面介紹一下系統(tǒng)的啟動流程. 啟動流程沿用RTT提供的原始結(jié)構(gòu)。首先在rtthread_startup()函數(shù)中進行RTOS的一些初始化，然后進入到rt_application_init()中。 在這個函數(shù)中會建立一個init的初始線程，在這個線程中，會對飛控各個模塊進行初始化的工作。在初始化完成之后，會根據(jù)Application層的定義，建立各個線程，并喚醒，最后將init線程自己給銷毀掉，避免不必要的內(nèi)存消耗。

演示視頻

控制算法和飛行效果測試( ADRC vs PID )

項目特色

使用RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng), Fatfs文件系統(tǒng)，完整的系統(tǒng)功能支持(如跨進程通信，文件管理，參數(shù)系統(tǒng)等)

基于Pixhawk硬件平臺開發(fā)，完美支持Pixhawk硬件

ADRC控制和PID(串級)控制

支持Mavlink協(xié)議(QGC地面站)

支持Gazebo硬件在環(huán)(HITL)仿真

Msh指令系統(tǒng)，提供豐富以及可擴展的系統(tǒng)指令

Log日志系統(tǒng)，方便抓取飛行日志信息，并提供相應(yīng)的日志查看工具。

基于最小二乘法的最優(yōu)橢球擬合校準算法(可校準零偏誤差，縮放誤差，非正交誤差)，可用于磁力計和加速度計的校準。