四旋翼飞行器搭建教程(px4 ardupoilot apm )讲诉讲解

四旋翼飞行器搭建教程（译自————加里斯.欧文）本文将带你通过建立自己的飞行控制器（飞空软件），同时教你工作的具体细节。

这些信息很难找到，特别是那些本身就不是航天工程师的人！就我个人而言，我用了六个月，因为我花费了太多的时间查找bug和调试bug，但通过这篇文章你可以短期收获同样的经验。

我会教你避开陷阱，这样你就不会像我一样浪费时间。

第一个关键是你对硬件的选择。

我选择从零开始建立自己系统，在这一阶段的时候我都不知道RC（remote controlled 遥控; radio coding 无线电编码; ）和飞行器是如何飞行的，这是一个巨大错误。

开始我以为，通过自行购买附加电路，芯片和传感器能省很多钱，结果最终我花了一大笔钱！放过自己吧，直接去购买ardupilot 2.5控制板，组装你的直升机，了解遥控，了解飞行原理，然后回到这里。

这个板子本质上是只是一个连有一些传感器Arduino（开源主控板,可查/view/1268436.htm?fr=aladdin），和我们将在这篇文章介绍的程序——我们自己编写的。

你得将所有东西连接起来，你的四旋翼飞机才能得飞：当然你也得会用优秀的arducopter软件。

本项目（ardupilot）由3D Robotics 提供赞助，这意味着他们销售所设计的硬件获利，并将所得利润回馈社区。

该软硬件是完全开源的，所有人可以免费复制下载。

你可以直接从他们那里购买，或者从Hobbyking (named HKPilot) and RCTimer (named ArduFlyer).购买相同的拷贝件。

在这篇文章中，我将假定您有ardupilot硬件——其本质上上是附传感器Arduino。

如果你选择忽视我的建议，并且建立自己的硬件，或使用Arduino电路板，那么您需要更换的底层代码（HAL库）。

我也会以为你在X配置（x型四旋翼），+ / X（两种四旋翼配置）和六/八旋翼飞行器之间切换（只是不同的电机的组合），配置的改变不会让它在本文有任何实质性的区别。

理想的情况是，你已经飞行过加载了arducopter代码的四旋翼，因此你应该将电机连接如下所示的位置和旋转方向。

我也要假设你有一些arduino的经验，或至少是C / C + +的经验。

Arduino库不是特别智能的或适合，所以我们将使用一些更加合适的的ardupilot库。

然而，我们会尽量少使用、最小幅度的使用，以提供DIY式解决方案的支持（这就是为什么你在这里毕竟）。

我们将要使用的第一和主要库是ardupilot硬件抽象层（HAL）库。

这个库试图隐藏了底层的区别，例如你如何读取和写入引脚和其它一些东西——其优势是，软件可移植到新的硬件，只需更换硬件抽象层。

在ardupilot的情况下，有两个硬件平台，APM和PX4，每一个都有自己的底层库允许ardupilot代码运行。

如果您稍后决定在Raspberry Pi上运行你的代码，你只需要改变硬件层代码。

硬件层是由如下几个部分组成：RCInput无线输入——阅读RC无线电rc input -。

RCOutput无线输出——用于控制电动机和其它输出rcoutput -。

Scheduler计划表——运行特定的任务在固定时间间隔调度程序-。

console控制台——提供访问串行端口。

I2C，SPI——总线驱动程序（用于连接传感器小电路板网络）GPIO ——一般目的的输入/输出——允许直接访问Arduino引脚，但是在我们的案例中，主要的发光二极管如何下载：你需要下载Arduino的IDE ardupilot版。

还需要将库文件放在你的延伸文件夹中。

还要确保你选择你的板类型像Arduino的菜单这样：Reading the Radio Inputs读取无线电输入我们的飞行控制系统要读取无线电输入信号（飞行指令），测量四旋翼的实时的姿态（偏航/俯仰/滚动），改变电机的转速——以适应四旋翼按照我们所期望的方式飞行。

所以让我们开始通过无线电开始学习。

RC接收机有几个输出，有好几个通道（或称为棒/开关/旋钮）。

无线电输出的50Hz脉冲，这个脉冲的宽度是由无线电发射机的摇杆位置决定的。

通常情况下，脉冲持续1000us到2000us长并有18000us到19000us的间隙，所以表示0的油门会产生一个1000us的脉冲，表示完全的油门则有2000us长。

可悲的是，大多数的接收机是不准确的，我们通常要测量每个杆位的最小或最大值脉冲宽度（这我们接下来将要做的）。

Ardupilot的底层库，为我们做了测量这些脉冲宽度的痛苦工作。

如果你自己编写这些代码，你需要中断其他工作并用定时器来测量无线电信号——analogread Arduino不适合做这项工作，因为它占用了处理器全部的计算容量，虽然它可以测量，但是同时也阻止我们其他事。

（即Arduino是单线程软件，无法同时做两项工作）实现一个测量信号的工作并不难，让这种程序持续1个小时甚至更长是很普通的事，我们不是只做这么简单的程序。

下面是一些使用APM 底层库，测量通道“值”的代码的简单例子。

通道“值”就是测量毫秒级的脉冲宽度。

#include <AP_Common.h>#include <AP_Math.h>#include <AP_Param.h>#include <AP_Progmem.h>#include <AP_ADC.h>#include <AP_InertialSensor.h>#include <AP_HAL.h>#include <AP_HAL_AVR.h>const AP_HAL::HAL& hal = AP_HAL_AVR_APM2; // Hardware abstraction layervoid setup()AP_HAL_MAIN(); // special macro that replace's one of Arduino's to setup the code (e.g. ensure loop() is called in a loop).创建一个新的草稿脚本，并将该脚本上传到Ardupilot 硬件上。

使用串行记录仪纪录下每个通道的最大和最小值。

（同时将脉冲调至极限）现在让我们来衡量脉冲的“值”，以显示他们所含有的意义。

我们要使用一种称为Map 的功能，这是一种确定一个数值在某一区间将其判读为另一“值”的功能。

例如，有一个50的数值，在0——100之间，而我们想要将他放入0到500这个区间来衡量，Map的功能将会定义其为250，并返回250这个值。

Map功能会在你引用并定义（#include&defines）之后被启用（从Arduino库中引用）这样使用Map功能：你会感到仍然没有接触到油门，毫无疑问你会对于自己没有参与建立油门的判读而感到高兴，这个阀值是由电调生成的（如果你是按照我的建议做的）。

俯仰和翻滚在正负45度之间会被测量，当然你也可以设定为正负150度。

我的loop（）函数现在看起来像，更换为测量最大最小杆位的Map功能。

我们也会改变函数类型，变为long型，以支持负数。

俯仰在杆位向前是是负的，翻滚或偏航在杆位向左是负的。

如果实际操控中不对，请调整到正确位置。

你现在应该输出这些值，并在串行接口上面观察数据。

理想状态下，当杆位在中间的时候，这些值应该为零（除了thr 变量）。

调试最大最小值，直到合适为止。

这些数据会有一些扰动（在真值上下浮动）因为摇杆是模拟信号输出，所以会有1度到2度的偏差。

一旦你能够将你的四旋翼飞起来的时候，你就会考虑回到这里介绍均值滤波器。

确保向前倾斜，滚动和偏航为左时，数值为负数——如果不是的，请将Map函数前改为负函数。

当然你也要确保当你增加油门值时，实际油门值也会增加。

Controlling the motors控制电机电机是由电调来控制的，他们的工作脉宽大约有1000us和2000us和无线接收机一样——脉宽为1000us意味着无，而脉宽为2000us意味着有。

电调被设定为接受50Hz的信号，但是大多数电机将5-10个储存的值平均后，再发送给电机。

这种模式也可以在四旋翼上使用，如果将平均滤波效应最小化，四旋翼会表现的更好。

因此，APM底层库的脉冲工作在490Hz，这意味着5到10个脉冲将会快速被平均，很大程度上减小了滤波效应。

在setup（）函数中，可以这样输出：在你引用之后，让我们定义一下每个Mapping输出的电机名字——mapping 的输出口名与四旋翼（Arducopter）使用的一样，只不过是从零开始而已。

（编程中从0开始命名，所以四个电机的命名是0到3，四旋翼四个电机则是1到4）你的loop函数里，读取无线电信号后，将这个无线电阀值直接输出给电机你现在可以编程你的四旋翼并实验他，注意一定是不带螺旋桨的。

缓慢的提高阀值和前右电机的旋转速度。

再说一次，如果所有电机带了螺旋桨，都会旋转起来，但是四旋翼还是会坠毁。

我们需要的是稳妥的做法，四旋翼的电机，电调，支撑架等等，都会略有不同，意味着施加在每个电机上的力略有不同，这意味着四旋翼永远不会真正意义上的水平。

*以下内容出于安全原因而省略*Determining Orientation确定位置、方向接下来就是定向了，或者说确定四旋翼的姿态。

我们可以这样，通过飞行指令改变电机的速度。

有两个传感器来定向，加速计和陀螺仪。

加速计测量每一个方向的加速情况，（重力是加速的原因之一，通过重力我们能确定地面方向）陀螺仪则测量角速度。

（例如没一个轴的旋转速度。

）然而，加速度计对振动非常敏感，不是特别灵敏；而陀螺仪是高度灵敏，且抗振动，但容易浮动。

（静止时也会显示1到2度每秒的角速度）所以，我们使用一个将两个传感器数据结合起来的融合算法，并得到两全其美的结果- 这样的算法的不再本文的讨论范围之内。

该算法通常是一个卡尔曼滤波器，或在ArduPilot的情况下，直接余弦矩阵（DCM）。

我提供了DCM的链接，如果你有一个数学背景并对此感兴趣；其余的人，我们不需要知道其具体细节。

值得庆幸的是，我们可以使用MPU6050传感器芯片，该芯片含有加速计和陀螺仪并有一个内置的数字运动处理单元（传感器融合）。

它将所有值融合起来，并给我提供了一个四元数值。

四元数值是一种不同的提供定位方式（相对于欧拉角：航向偏转），如果你已经进行了三维编程并且对此十分熟悉，你会发现四元数值有一定优势。

为了方便起见，我们更倾向于使用欧拉角并且使用欧拉角编程而不是四元数值。

此段代码就是接合MPU6050传感器的代码在 setup()函数中现在让我们来读取传感器数据，在loop（）函数开头加入这一行，这使得程序强行等待直到传感器有新的数据，不会改变电机的速度，直到我们得到新的数据。