無人機是無人駕駛飛機的簡稱（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是利用無線電遙控裝置和自備的程式控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器（20-100 公裡空域），如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。從某種角度來看，無人機可以在無人駕駛的條件下完成複雜空中飛行任務和各種負載任務，可以被看做是“空中機器人”。
飛控系統是無人機完成起飛、空中飛行、執行任務和返場回收等整個飛行過程的核心系統，飛控對于無人機相當于駕駛員對于有人機的作用，我們認為是無人機最核心的技術之一。飛控一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動裝置三大部分，實作的功能主要有無人機姿态穩定和控制、無人機任務裝置管理和應急控制三大類。飛控按照是否公開源代碼的方式分為開源飛控和商品飛控：
（1）開源飛控
世界各地的精英本着開源的精神，将所做的無人機工作開源開放，主要有MicroCopter, Paparazzi, AutoQuad, OpenPilot,MWC,KK, APM,PX4....MicroCopter, Paparazzi算是飛控開源的開山鼻祖，尤其Paparazzi以算法強大和穩定性著稱，其下面也有很多版本，MCU采用ST和NXP的方案。使用者最多的應算APM，在經曆基于Arduino的發展後，現在已經逐漸過渡到PX4/Pixhawk平台，采用雙ST MCU、備援電源及傳感器的方案，以滿足未來更苛刻的需求和功能。
（2）商品飛控
國外沒有找到什麼有名的商品飛控，國内到是有一堆，比如大疆的、極飛、零度、億航....扒開外殼看下，大疆采用NXP方案(可以類比Paparazzi)，極飛ST， 零度有個AT91+FPGA，億航(呵呵，似乎是APM，隻是不公開)，都可以從開源飛控找到他們影子，隻要商品飛控有的功能，開源飛控都有，但是開源飛控有的功能，商品不一定有，那麼商品飛控有什麼特點呢？
1)加了一個漂亮的外殼，尤其是鋁合金的；
2)加了個優化算法，比如大疆似乎有個H∞；
3)簡化了調參和線束。
個人認為，商品飛控并不具備核心技術，隻是在開源飛控上的小修小改，改的簡單易用。本書主要講一開源飛控的代表，Pixhawk和Paparazzi。
1.1 Pixhawk飛控
Pixhawk飛控采用 Pixhawk作為飛行控制器，它是世界上最出名的開源飛控的硬體廠商 3DR 最新推出了最新一代飛控系統，其前身是 APM，由于 APM的處理器已經接近滿負荷，沒有辦法滿足更複雜的運算處理，是以硬體廠商采用了目前最新标準的 32 位 ARM 處理器，第一代産品是PX4系列，他分為飛控處理器 PX4FMU 和輸入輸出接口闆PX4IO。PX4 系列可以單獨使用 PX4FMU，但是接線很複雜，也可以配合輸入輸出接口闆 PX4IO 來使用，但是因為沒有統一的外殼，不好固定，再加上使用複雜，是以基本上屬于一代實驗版本。 通過 PX4 系列的經驗，廠商終于簡化了結構，把 PX4FMU 和 PX4IO 整合到一塊闆子上，并加上了骨頭形狀的外殼，優化了硬體和走線，也就是這款第二代産品 Pixhawk。
Pixhawk的所有硬體都是透明的，它用的是什麼晶片和傳感器一目了然，所有的總線和外設都進行引出，不但以後可以相容一些其 他外設，而且對于有開發能力的使用者提供了友善。Pixhawk是一個雙處理器的飛行控制器，一個擅長于強大運算的 32 bitSTM32F427 Cortex M4 核心 168 MHz/256 KB RAM/2 MB Flash 處理器，還有一個主要定位于工業用途的協處理器 32 bit STM32F103，它的特點就 是安全穩定。是以就算主處理器當機了，還有一個協處理器來保障安全。
1.1.1 Pixhawk的特點
Pixhawk是一款低成本高性能自動駕駛儀。其繼承了APM和PX4的優點，并在其基礎上改進。這個項目源于ETH Zurich的計算機視覺與幾何實驗室、自主系統實驗室和自動控制實驗室的PIXHAWK項目。它具有來自ST公司先進的處理器和傳感器技術，以及NuttX實時作業系統，能夠實作驚人的性能，靈活性和可靠性控制任何自主飛行器。Pixhawk系統的優點包括：內建多線程，類似Unix / Linux類的程式設計環境；全新的自動駕駛功能，如任務和飛行行為的Lua腳本；一個自定義PX4驅動層以確定在所有任務具有嚴格的時序。這些先進的功能確定在你的飛行器上不存在任何限制。Pixhawk允許現有的APM和PX4能夠無縫地過渡到該系統，并降低進入門檻的新使用者參加自主飛行的精彩世界。
1.1.2 Pixhawk的發展
Pixhawk飛控是PX4飛控系統的進一步發展。Pixhawk将PX4-FMU控制器與PX4-IO內建到了一塊電路闆上，除此之外還有額外的IO、記憶體和其他特性。Pixhawk是一款貨真價實的第三代飛行控制系統(APM -> PX4 -> Pixhawk)。它針對我們的飛行導航軟體做了高度優化以實作對飛行器的控制與自動飛行。它的性能目前有充足的富餘，是以在未來的幾年内Pixhawk系統都可以繼續有效使用。
1.2 Paparazzi飛控
Paparazzi(PPZ) 是一個軟硬體全開源的項目，它始于2003年，旨在通過來自社群的意見和鼓勵建立一個非常強大和靈活的自動駕駛系統。它是一整套完整成熟的解決方案,内容不僅覆寫 了飛行器上的軟硬體,包括傳感器,電壓調節器,GPS 接收機、自動駕駛軟體及算法;同時也 包括地面站相關軟硬體,包括各種數據機,天線等裝置;同時,它還有一個不斷進化的使用者友好的地面控制站軟體。
PPZ 裝備的無人機的體系結構可以了解為在普通飛行器(普通航模)和航模标配的遙控單元上,加裝自動飛控闆、相關傳感器、無線 Modem,同時配置地面控制站(PC、調 制解調器、天線),讓飛行器最後實作自動駕駛飛行或者接受地面站的指令自主調整姿态飛行。
PPZ系統的關鍵特性是使用紅外線感應器和飛行姿态慣性測量傳感器,通過計算來提供強大而準确的姿态估計,讓飛行器不需要地面手動控制校準,即能自動調整飛行狀态。控制者隻需要在 地面站上給飛行器設定任務,剩下的則交給飛行器則自己去完成。所有的飛控、導航、姿态調整、任務執行等工作等,都是由飛控闆全自動完成。當然,地面人員也可以随時在自動控制和手動控制兩種狀态間自由切換。
1.2.1靈活的 PPZ
通過不同的設定,PPZ 既可以用于驅動固定翼飛機,也可以用于旋翼機。PPZ 的靈活性展現在它可以根據用途特點和側重點(飛行速度、飛行距離、滞空時間、負載能 力、價格),選擇不同的飛行器,配置不同的飛控闆、傳感器、通訊子產品和外設。
它的飛控闆并不僅有一個單一的型号,通過多年的發展和進化,PPZ 的飛控闆共衍生出了十幾 款型号。這些飛控闆在不同的年代被設計出來,不斷完善進化,并出于不同的目的增減闆載接口 和子產品進而派生出不同的型号。比如2013年夏季為釋出的 Lisa/S 型飛控闆,隻有2.8克的重量, 成為全球最輕的通用飛控闆。與之相關的,PPZ 有一個很大的硬體相容清單,涵蓋不同廠家的 各種子產品,諸如傳感器(紅外,陀螺儀,GPS,慣性測量,空速)、數據機、遙控器、模拟 /數字視訊系統、天線等。
類似裝配台式電腦,使用者可以完全根據自己的需求選擇相關配置,建成一套地空無人機系統,而 配置則可以異常靈活。以通訊子產品為例:如果你隻是在視距範圍内玩玩,可以省略GPS,配置 短距離的2.4G 數據機,純手動控制;如果想實作遠距離的完全自主駕駛,則可以配置 GPS加上遠距離無線數據機實作飛行資料回傳和控制;又如果在電信營運商信号覆寫的區域内玩,則可以用3G 通訊子產品傳輸資料給地面站。
除了使用硬體清單上的裝置外,PPZ 的大部分型号飛控闆還有 GPIO 接口,是以可以通過程式設計 來控制外接裝置。最常見的例子,就是控制外挂相機進行航拍。所有的配置資料,都在設計和裝配調試無人機的時候,通過一個管理中心的系統(Paparazzi Center)進行配置,并以xml檔案的形式儲存。
1.2.2 PPZ資料的共享
PPZ 不同于普通的純粹以代碼為中心的開源軟體項目,它不僅利用 Github 托管代碼和硬體原理 圖 CAD 設計稿等設計資料。成功将 PPZ 跑起來需要主機闆與各種外圍傳感器、舵機馬達的适配、矯正、調試,以及為航空載機做恰當的參數設定,這需要一定的經驗。PPZ 把它的主網站建構成為一個WIKI,使得任何人都可以注冊帳号後上去編輯和完善條目,補充和分享自己的經驗。這樣一來,PPZ就彙集了全球各地精英愛好者的智慧,以及各種一手實驗資料和經驗。此外開源的優點,讓PPZ可以利用開源社群的各種高品質軟體(例如gpsd),避免重複的勞動進而專 注于自動導航相關的研究與實作。開放性,促使 PPZ 發展的非常強大。
1.2.3 PPZ 的業内地位和影響
PPZ 在業界有較高的知名度并曾多次摘取多項榮譽。目前 PPZ 官網最新的新聞消息顯示:在不 久前于9月結束的國際微型飛行器會議和飛行比賽(IMAV 2013)中,PPZ 驅動的飛機,獲得戶 外組第一名,室内組操作第一名,室内自主要制第三名的成績。其中,用到了最新的隻有2.8克 重量的Lisa/S 飛控闆。可見 PPZ 在業内應用的廣泛程度及其實力。
毫無疑問,現在在做無人機項目的公司,幾乎都會學習和了解過 PPZ 項目。是以,如果一個企業要做一個無人機相關的研究開發,PPZ 應該會給予巨大的幫助和啟發。估計一般的公司幾乎不可能完全獨立于PPZ 之外做出一套能夠與 PPZ 比肩的系統。初創公司如果按照 PPZ的全開源軟硬體設計和相容硬體清單,找一個載機(或者自己設計一款)并作恰當的适配,則可以快速推出自己的産品——往往是初創企業推出産品 的捷徑。但是需要注意的是——由于PPZ是開源的,競争對手也能推出類似的同質化的産品, 是以如何在PPZ光環之外,作出自己的特色,往往是這些企業最需要考慮的。
1.2.4個人如何開始使用PPZ
PPZ 非常适合模型愛好者和geek來玩。對于個人DIY 愛好者,PPZ 官方網站的 wiki知識庫, 已經涵蓋了基本所有需要的知識,是以官網應該是一個不錯的開始點。國内的一些模型論壇,已 經有不少玩家在交流和分享經驗,可以上去找找。某褲上搜尋 PPZ,也能出來不少視訊,這些 都是前輩玩家貢獻的知識。
對于初級個人玩家來說,Ubuntu Linux 做為官方推薦的地面站作業系統以及編譯環境,可能需 要一段過程适應。另外,各種傳感器、電路闆是一個比較麻煩的問題。開源硬體不像開源軟體那樣成本僅為一台電腦和一些帶寬,畢竟硬體需要掏錢真材實料去購買焊接制作電路闆,門檻稍高。 如果玩家隻想體驗組裝、調試、和飛行的樂趣,官網上有列出銷售控制闆和配套硬體的廠商(國 外廠商多);另外,某寶上也有看到 Lisa/M 的飛控闆,也許可以一試。
PPZ 項目是無人機方面一個開放的大知識庫,無論個人、公司、研究機構都能從中獲益良多。相信 PPZ 未來在無人機領域還會發揮更大的影響力,引領無人機領域更進一步。
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