APM飞控学习之路：1 无人机的分类与发展

   “旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。无人机也像那堂前燕，从以前为军事所专属，负责侦查和战斗，飞入民用领域，在航拍、植保、快递、救灾、巡检、拍摄等行业大显身手，无人机+的应用遍地开花，成为智能时代机器人领域的尖兵。

        无人机，顾名思义，即不载人的飞行器。目前飞行器主要分为3类：固定翼（fixed wing）；直升机（helicopter）；多旋翼（multi-rotor）。最近风头最热、也最有前景的，当属多旋翼大家族的主力军——四旋翼无人机（quadcopter），大大小小的无人机厂商如雨后春笋般冒出来。大的有DJI、零度、亿航、极飞等，小的就数不胜数了，最近京东也众筹了一款PowerEgg无人机，无人机行业的繁荣可见一斑。各飞行器的特点简介如下：

 

飞行器分类	固定翼	直升机	多旋翼
稳定性	自稳定	不稳定，完整驱动	不稳定，欠驱动
续航时间	长	中	短
飞行效率	高	中	低
载荷	大	中	小
其他	起飞助跑，降落滑行	可垂直起降，机械结构复杂	可垂直起降，机械结构简单

         本系列博客的重点也是四旋翼无人机。四旋翼含4个螺旋桨，即4个电机，4个自由度，而三维空间的位姿有6个自由度，4<6，因而称欠驱动。受控的自由度可以从遥控器的输入看出端倪：左边的摇杆控制上下的高度和机头的朝向（Yaw），右边的摇杆控制飞机的前后和左右，共4个自由度。而欠驱动的2个自由度为飞机的俯仰（Pitch）和横滚（Roll），和飞机的前后、左右是耦合的，因此也可以说右边的摇杆控制飞机的俯仰和横滚。无人机在前后左右运动时机身会产生一定倾斜的原因即在于此。

        上表大致总结了各飞行器的特点，那么问题来了，多旋翼各项指标落后仍受大众青睐到底为哪般？让我们走近科学，探秘多旋翼。由于多旋翼系统不稳定、欠驱动，需要自动控制器来控制飞行器的姿态，而要取得姿态，就不得不提惯性导航系统（Inertial Navigation System，以下简称INS）。INS的主要原理是利用加速度计和陀螺仪，对时间积分获得速度，进而获得飞行器的位置和姿态。INS最初用于导弹、火箭等军事领域，十几公斤的大铁疙瘩对于按吨计的巨型铁疙瘩来说那都不算事儿。但要放到多旋翼头上，这可是泰山压顶，愚公有心也无力，多旋翼的研究一度停滞。

 

        到了上世纪90年代，随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，以下简称MEMS）的发展，几克重的mm级INS被开发出来，多旋翼的自动控制器又重新抬头。但是条件还不够，传感器的噪声、多传感器的数据融合、多旋翼的非线性系统结构、飞行控制算法等问题仍像一座座大山，等待探路者去征服。到了2005年，稳定靠谱的多旋翼自动控制器才正式面世。四旋翼作为多旋翼无人机中最简洁的一种，开始受到广泛关注和研究。由于其结构简单、控制灵活、成本较低，也逐渐进入了商业领域和大众视野。

 

        之后的历史，诸君都是见证者。2009年，《三傻大闹宝莱坞》中Geek的小四轴，把新鲜感带给了大众。2010年，法国Parrot公司发布AR.Drone——世界首款流行的四旋翼，上能飞天拍大地，下可悬停摆造型，成为人们的天空之眼。此时的四旋翼，还是小众人群的玩具。直到2013年，DJI的Phantom与GoPro结合，让四旋翼从一个玩具变身成了航拍精灵。先手优势一发不可收，至今DJI已成为世界上首屈一指的无人机厂商，成为中国智造的骄傲，也成功帮汪峰求婚，新娘头条双丰收！除了DJI，国际的3D Robotics、AscTec，国内的零度、亿航也加入战局，群雄争霸，硝烟四起。

 

        一个Interesting&Exciting的无人机时代正在拉开序幕，让我们拭目以待。

 

APM飞控学习之路：2 四旋翼的工作原理与系统组成

2016年10月31日 20:48:47

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        “一叶障目，不见泰山”。在研究四旋翼飞行器之前，有必要从整体介绍其工作原理、主要部件、技术名词等基础知识。不然就像羊入虎口，陷入一大堆不同层次的资料，难觅出口。接下我就抛砖引玉，尽自己所能，介绍四旋翼的工作原理和主要部件。余虽不敏，然余诚也。

 

工作原理

 

        四旋翼飞行器，通过4个对称布置的电机，改变螺旋桨的转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。姿态具体指3个欧拉角：横滚（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）。位置具体指1个高度油门（Throttle）和2个位置（X和Y）。欧拉角是一种描述物体姿态的常见方式，广泛应用于惯性导航、机器人等领域。为了方便大家理解，在网上找了3个欧拉角的动图，分别为Roll、Pitch、Yaw，让我们致敬制作者3秒钟。

        横滚：Roll，控制四旋翼左右运动。

        俯仰：Pitch，控制四旋翼前后运动。

        偏航：Yaw，控制四旋翼的朝向。

        无人机的姿态和位置共有6个自由度，每个自由度的控制如下图所示。4个电机2个正转（电机2和4），2个反转（电机1和3），对称布置。电机正反转配合正反桨，可使螺旋桨的风都往下刮以平衡重力，同时抵消因桨叶旋转带来的空气阻力扭矩。由于输入只有4个自由度，因此多出的2个自由度是不完全受控的，其中俯仰运动和前后运动耦合，滚转运动和侧向运动耦合。

        坐标系：标准右手系。规定X轴正方向为前向。螺旋桨的箭头向上↑：电机转速上升。螺旋桨的箭头向下↓：电机转速下降。

        (a) 垂直运动（Throttle）：4个电机均加大马力，螺旋桨产生的升力大于重力，飞机便垂直上升。当升力与重力平衡时，飞机便悬停。悬停是考验算法的重要一环，靠的是PID不断反馈，调整转速。

        (b) 俯仰运动（Pitch）：电机1加大马力，电机3减小马力，二者的变化量相同。1处升力变大，3处升力减小，重力仍保持平衡，但对Y轴产生一个力矩，机身绕Y轴旋转，实现俯仰。

        (c) 滚转运动（Roll）：与 (b) 原理相同，只是Y轴换成了X轴。

        (d) 偏航运动（Yaw）：电机1、3加大马力，电机2、4减小马力，二者的变化量相同。重力和绕X、Y轴的扭矩仍保持平衡，但要注意的是，根据作用力和反作用力原理，由于2个正转的速度>2个反转的速度，空气阻力产生的扭矩不平衡了，使得机身绕Z轴旋转，实现偏航。

        (e) 前后运动：与 (b) 耦合，机身绕Y轴旋转一定角度后，使得升力沿水平方向有了分量，实现前后运动。

        (f) 侧向运动：与 (c) 耦合，原理与 (e) 相同。

        如果有朋友接触过麦克纳姆轮，也称“全向轮”，那就更容易理解四旋翼的工作原理了。麦克纳姆轮通过4个对称布置的电机和轮盘，可实现车身水平任意方向的移动和原地旋转，无比灵活。

 

主要部件

 

        以S500为例，S500是一架入门级的四旋翼飞机，这里的500指的是轴距（对角2个电机之间的距离），单位 ：mm。对于开源爱好者而言，如果想一站式玩四旋翼，在某宝上选购一架S500是个不错的选择。下面我就从上表出发，详细介绍四旋翼的主要部件和技术名词。

四旋翼本体

        四旋翼分2种模式，1种是+模式：飞行方向（机头）与旋翼重合；1种是X模式：飞行方向（机头）平分旋翼。

        +模式：直观，简单，驱动弱，调参容易。

        X模式：复杂，稳定，驱动好，调参麻烦。

        对于四旋翼，稳定和驱动是第一位的，调参可以站在巨人的肩膀上，因此一般采用X模式。

飞行控制器

        飞行控制器简称飞控，是无人机的大脑。目前主要分开源和闭源两派，开源飞控的鼻祖来自Arduino，著名的WMC飞控和APM飞控都是Arduino飞控的直接衍生品，APM全称ArduPilotMega，其中的Ardu代表的就是Arduino。APM飞控是目前成熟度最高的开源飞控，但由于容量和计算量有限，在不久的将来一定会被更强大的PIX4、PIXHAWK所超越，成为一个时代的缩影。还有一些较为初级的飞控，如KK、QQ、玉兔等，在这就不赘述了。闭源飞控主要由商业公司推出，如DJI的工业级飞控A2、A3，入门级飞控Naza系列，还有零度的S4、X4和双子星GEMINI。值得一提是其中的双子星，是国内首个双余度安全飞行控制系统。随着安全性的重视和提高，冗余度设计也将成为无人机的标配。

螺旋桨

        4个螺旋桨，2正桨（顺时针转）2反桨（逆时针转），正反桨的风都向下吹，正反的目的主要是抵消螺旋桨的自旋。安装的时候，无论正反桨，有字的一面均向上。桨型中1045这4位数字，前2位10代表桨的直径（单位：英寸inch），后2位45代表桨的角度（单位：度°）。

电机

        4个无刷电机，2正转2反转。2212这4位数字，前2位22代表电机转子直径，后2位12代表电机转子高度，单位：毫米mm，注意均指电机转子而非外壳。如果大家留心的话，电机外壳上一般会并注明这4位数字，除此之外，还会看到一个KV值，代表外加1V电压时电机每分钟空转转速。如“KV:900”代表外加1V电压时，电机空转时每分钟转900圈。常见的电机品牌有新西达（XXD）、朗宇（SunnySky）等，并且很多外壳上会有一串神秘字符：MADE IN CHINA。

电调

        说完电机说电调，电调和电机配套使用，是飞控和电机之间的桥梁。电调全称电子调速器（Electronic Speed Control），负责将飞控的控制信号（PWM波）转变为电流的大小，进而控制电机转速。除了明面上的转换功能，还能承载电机所需的大电流，以及将11.1V转为5V供飞控和遥控模块使用（BEC输出）。电调的主要参数是电流输出能力，单位A，如30A代表电调能提供的最大电流为30A。常见的电调品牌有新西达（XXD）、中特威（ZTW）、好盈（HobbyWing）等。

电池

        一般为锂电池，因为同等电池容量锂电池最轻。大家可以看到有3个参数：3200mAh 11.1V 30c。和手机电池一样，3200mAh代表以3200mA电流放电，可持续1小时。11.1V代表电压，一般由3节标准锂电池组成（3.7V×3=11.1V），相应标识为3S。30c代表放电能力，在航模中是个重要参数，意味着可以3200mA×30的电流强度放电。说完了放电，还有充电，一般为2c充电，即充电电流可为3200mA×2。由于航模锂电池采用多节标准锂电池组成，而各节标准锂电池之间存在充放电性能差异，因此充电器一般采用平衡充，避免某节电池过充。

遥控器

        主要分美国手和日门手，美国手的油门在左边，日本手的油门在右边。在四旋翼的控制中，一般采用美国手。怎么判断油门呢？很简单，遥控器左右2个摇杆中，推上去不回弹的是油门。也很好理解，油门一般稳定在一个位置就好了，回弹的话飞手会流泪。遥控器中也有1个神秘数字，6代表6通道，即遥控器可控的动作路数。因为四旋翼有4个自由度，所以遥控器至少需要4通道，剩余的通道用于控制飞行模式等。

        至此四旋翼的主要部件和技术名词介绍完毕，还有一些可选部件，如数传、OSD、云台、相机、图传等，待大家入门后即可自行挖掘。最后附上一个Exciting的TED视频，震撼你的眼球。拉菲罗·安德烈:四轴飞行器灵活的运动性。

   

APM飞控学习之路：3 APM系统介绍与开发环境搭建

置顶2016年11月03日 11:08:55

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        “工欲善其事，必先利其器”。在进行无人机飞控开发时，选择一个合适的软硬件平台以及IDE是十分重要的。目前，APM飞控成熟度高，开发工具齐全，社区建设完善，开发者文档丰富，适合开源选手入门和二次开发。因此，本系列博客以APM飞控作为切入点，在Windows环境下介绍其代码结构和开发应用。

 

APM系统介绍

 

        APM全称ArduPilotMega，Ardu源自Arduino，Pilot意指飞行，Mega代表主芯片为ATMEGA2560（Atmel公司的8位AVR单片机）。是的，没有看错，一个简单8位单片机竟完成了如此复杂的飞控任务！ 51单片机表示哭晕在厕所，同为8位出身，命运截然不同。笔者大概是2011年接触的单片机，当时也同大多数初学者一样，从经典的51单片机入门，一个个模块、寄存器的学习，曲线虽说不上陡峭，但至少不那么友好。反观Arduino，近3年在国内迅速崛起，除了Geek文化和开源文化的普及，一个很关键的原因在于Arduino让不懂硬件电路的普通人（甚至小学生）也能轻松上手硬件了。没有了烦人的寄存器，没有了纷繁的头文件，一个setup()和一个loop()，再加一个自带教程的简洁IDE，Arduino名副其实——源自意大利的男姓用名，意为“强壮的朋友”。世界如此美好，我想和Arduino做朋友。

        APM内置六轴MEMS传感器MPU6000，气压计MS-5611，三轴磁力计HMC5883，一般还会配置GPS模块，以便更精确的惯性导航。其中，MPU6000整合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，积分可得速度和位姿。MS-5611通过测量气压得到高度，辅助GPS定位。HMC5883通过测量地磁场得到方位，辅助无人机定向。飞控采集并融合多种传感器的数据，计算并校正无人机的位姿。给APM一张正面裸板特写！

 

APM与PIXHAWK的关系        

        说到APM，就不得不提它的进化版：PX4和PIXHAWK，来自苏黎世联邦理工大学。“PX4是一个软硬件开源项目（遵守BSD协议），目的在于为学术、爱好和工业团体提供一款低成本、高性能的高端自驾仪。PX4FMU自驾仪模块运行高效的实时操作系统（RTOS），Nuttx提供可移植操作系统接口（POSIX）类型的环境。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（ArduPilot）两套固件和相应的地面站软件，也是目前全世界飞控产品中硬件规格最高的产品。”

        好了说人话，目前主流就2种：APM和PIXHAWK。有时指硬件，有时指软件（固件），为了明确，在此做个区分。硬件分2种：APM和PIXHAWK。APM的版本有2.5，2.6和2.8，PIXHAWK的版本有v1和v2。软件也分2种：APM和PX4。软件版本就多了去了，详见github。APM硬件由于存储空间有限，最高支持到3.2.1的APM软件。PIXHAWK硬件是STM32F4，存储空间大，对APM软件（3.2.1之后的版本也支持）和PX4都支持。

        APM和PIXHAWK都开源，不过二者遵守的开源协议不同。APM多用于DIY和小型产品，某宝上大量的无人机就采用APM，成本低。公司商用一般采用PIXHAWK。目前很多PIXHAWK里跑的还是APM固件，个人认为有几大原因：1. APM固件出来的更早，使用人群习惯的延续；2. APM固件成熟度更高、资料更全。3. APM固件走开源路线更彻底，遵守GPL V3协议，PX4更倾向商业和实验用途，遵守BSD协议。目前APM小组已和PX4小组分道扬镳，详见新闻：ArduPilot脱离Dronecode真相。

APM固件下载

 

        刚提到APM硬件的最高版本为2.8，现在说说APM固件（源码）的版本。既然是开源项目，那么在github上肯定有仓库。曾经的APM源码存于code.google.com，后来github席卷全球，成为广泛接受的代码仓库，于是谷歌把自己的仓库关了（反正国内也上不去:-(）。github上的源头在此：https://github.com/ArduPilot/ardupilot。其中的ArduCopter支持多旋翼、直升机等，四旋翼源码即在其中，但是别急着下载，先点击release看看源码版本。可以看到带Copter的最新版本是“Copter-3.4.0”，带ArduCopter的最新版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，很多朋友直接参照网上的《通过Arduino给APM编译下载最新固件》用git克隆代码到本地，发现无法使用，问题就在于git获取的是最新版，而APM支持的最高版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，从命名也可以发现，该版本固件同时支持APM和PX4。

 

        获取ArduCopter-3.2.1版本的源码有2种方式：I. 在github页面点击release，往下翻几页，找到“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”下载即可。II. 喜欢git的朋友在克隆最新代码后，也可以回退到3.2.1的版本，与第一种方法获得的源码无异。

 

1. git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot.git

2. cd ardupilot/

3. git branch -a

4. git checkout -b arducopter-3.2.1 origin/ArduCopter-3.2.1

 

        使用方法解压之后就可以看到源码啦，结构如下。其中，APMrover2支持地面车辆，ArduPlane支持固定翼，ArduCopter支持多旋翼和直升机。对于四旋翼的开发，就对应ArduCopter文件夹。值得一提的是，打开ArduCopter文件夹后，可以看到一大波.pde文件，.pde为Arduino文件的旧版后缀，新版的为.ino（Arduino的后3个字母），可以简单类比成.cpp文件。熟悉C++的朋友可能会想去找main文件，这回改头换面了，主文件叫ArduCopter.pde。

 

 

APM开发环境

 

        巧妇难为无米之炊”，现在米有了，用什么工具做饭呢。先把火备好，即编译的工具链和驱动：MHV_AVR_Tools_20121007.exe（AVR单片机编译和下载程序用）和MissionPlanner-latest.msi（飞控地面站，含APM的USB接口驱动）。接下来就是用什么灶台做饭了，以Windows平台为例，灶台根据方便程度有2种：I. 土灶：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows（为ArdupPilot定制的Arduino IDE）。II. 电磁炉：Visual Studio配合Visual Micro插件（Arduino for Visual Studio插件）。二者本质没有区别，可以看到都是调用gcc工具链，Visual Studio只是通过Visual Micro在上层封装了操作接口，便于程序员查看和编写代码。强烈建议使用Visual Studio！！！

 

环境I（轻量）. Arduino IDE

 

        先介绍Arduino派的IDE：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows，此IDE不同于普通的Arduino IDE，而是为ArdupPilot定制的。解压之后，打开“arduino.exe”，一张白板扑面而来。唯一和飞控有关的就在菜单栏上，相比通用ArduinoIDE多了“ArduPilot”一项。工具栏的“√”是编译，“→”是下载。

        点击“文件->参数设置”，可设置程序库的位置，即APM源码位置，注意不要勾选“启动时检查更新”，因为本IDE专为ArduPilot定制。其他选项可根据个人喜好设置。

        设置完成后退出再重开，以保证程序库位置生效。点击“文件->程序库->ArduCopter”，源代码一览无余。之后配置APM固件，主芯片：“工具->板卡->Arduino Mega 2560 or Mega ADK”，串口：“工具->串口->相应USB串口”（确保驱动已安装），编程器：“工具->编程器->AVRISP mkll”（默认），APM硬件型号：“ArduPilot->HALBoard->ArduPilot Mega 2.x”。

 

        至此，Arduino IDE的完毕，可以点击编译了。等待3分钟左右，编译完毕，生成一个hex文件用于下载到APM板。

        切记：不要下载！不要下载！不要下载！下载会变砖！

 

环境II（推荐）. Visual Studio&Visual Micro

 

        Arduino IDE编译APM的代码还可以，但要是用来浏览和编写代码，那就是千丝万缕扭不清了，所以ArduinoIDE的设置里也机智地留下一条后路：“□使用外部编辑器”。

        Visual Studio（以下简称VS）作为宇宙最强IDE，怎么能不支持下Arduino，感谢微软救民于水火。以VS2012为例，点击“工具->扩展和更新->联机”，搜索“Visual Micro”，下载安装即可。顺便推荐下Visual Assist，VS下最好的代码补全工具，以前写1行代码的功夫，现在可以写3行~

        安装好之后，VS的菜单栏多了一些振奋人心的东西。“VMICRO”中可设置Arduino的选项，点击“VMICOR->Visual Micro Explorer”，如下图所示。对比Arduino IDE可发现，编译、下载、COM口应有尽有，还可适配不同的Arduino 版本。

        点击“Configure”进行配置，选择Arduino版本：1.0，配置Arduino目录，笔者的是：D:\Fly\ArduPilot-Arduino-1.0.3-windows，即ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows解压后的文件夹。注意此插件的名字是“Arduino IDE for Visual Studio”，并不是专为Ardupilot/APM定制，因此还需适配apm硬件信息（点击蓝字链接下载，解压后为一名为apm的文件夹，内仅含boards.txt）。将该apm文件夹放入D:\Fly\ArduPilot-Arduino-1.0.3-windows\hardware中。配置完成之后，可在“Installed”选项卡中查看支持的硬件类型，如所需的“Arduino Mega 2560 HAL (Apm 2)”，插上APM后在COM口选择对应的串口号。此外，在“Examles”选项卡中可查看Arduino和ArduCopter的例程。

        重启VS，点击“文件->打开->Arduino Project”，选择ArduCopter文件夹中的ArduCopter.pde打开，即可在“解决方案资源管理器”中看到APM的源码结构。解释一下，ArduCopter.pde相当于平时常见的Main.cpp，在ArduCopter.pde的最后一行是真正的main函数。

AP_HAL_MAIN();

        除此之外，有一点需要注意，在“VMICRO”中，“Debugger”取消勾选“Automatic Debug（Release/Debug）”，否则会编译失败。因为APM2.8不支持在线Debug，同时对于“多线程”程序，Debug本身意义不大，一般采用串口print进行调试以便观察程序流程。对于普通Arduino板（如nano）可以勾选，下载后会自动进入调试状态。

        至此，Visual Studio&Visual Micro的配置完毕，又可以愉快地编译了。同样等待大概3分钟左右，可以看到编译完成，生成一个hex文件用于下载到APM板。对于编译，第1次会较慢，修改代码再次编译就很快了。

        切记：不要下载！不要下载！不要下载！下载会变砖！

        在此给出笔者用VS2012编译的工程：APM3.2.1固件-VS2012工程，打开ArduCopter文件夹中的ArduCopter.sln即可使用。如果你好奇心太重点了下载，也没关系，笔者会在下一篇博客让板砖起死回生:)

 

APM资料说明

 

        有关APM的资料，首推ArduPilot官网：http://ardupilot.org/ardupilot/。如果是开发四旋翼，左侧的“Copter”和“Developers”是你经常要去逛的。里面详细介绍了APM的方方面面，值得反复咀嚼。网上的APM资料，很多就是翻译自ArduPilot官网，但是良莠不齐。不要惧怕英文而选择逃避，蔡康永有一段很有名的话，“15岁觉得游泳难，放弃游泳，到18岁遇到一个你喜欢的人约你去游泳，你只好说"我不会耶”。18岁觉得英文难，放弃英文，28岁出现一个很棒但要会英文的工作，你只好说“我不会耶”。人生前期越嫌麻烦，越懒得学，后来就越可能错过让你动心的人和事，错过新风景。”万事开头难，但也不要放大开头的困难，跨过去就好了。

        国内的资料，主要推荐“模友之吧”里“泡泡老师”的视频教程，教你一步步上手APM2.8：[泡泡老师教程] 新手课堂：APM2.8的使用方法。

        个人收集的2个资料：新编APM-2.8.0中文入门手册和APM2.8接口介绍。

 

  “月盈则亏，水满则溢”。当博主编译完成，以为离成功更近一步准备下载的时候，殊不知陷阱也早已准备好，等待我的踏入。连上USB线，下载，timeout...，timeout...，timeout...，留下博主一脸懵逼，和一块已然变砖的APM板。遂作此文，为广大APM开发者避开下载的坑。

        下载环境：APM2.8，固件版本3.2.1，通过USB下载。

 

原因定位

 

        事出突然，案发现场只留下了一张截图，代表着下载失败。

        从这张截图开始分析：avrdude是AVR系列单片机的下载模块，负责将hex文件写入APM板的ROM和EEPROM。写入文件之后，avrdude向APM板Send数据，估计用于校验，却等不到回应：“programmer is not responding”，只能向电脑返回：timeout，顺便不忘问候博主：“avrdude done. Thank you.”

        由此看来下载完程序之后，APM板直接变砖，已无法和PC端取得有效通信。博主经过多种尝试，如重新编译并下载、通过地面站（Mission Planner）刷固件、下载老版本固件，皆因timeout或无法连接而告终。痛定思痛，想到安卓手机刷机时也可能变砖，变砖后还能刷回来，靠的是什么？Bootloader！难道是因为程序过大，把APM板中的Bootloader，也就是引导程序给覆盖了？！

        回过头来看编译结果：编译之后，程序大小为256258bytes，也就是250KB的样子，占用了总容量的99%！很可能把Bootloader给占用了。就好比把一个很大的文件往电脑的C盘塞，把C盘塞爆了，顺便把系统也弄崩了。果不其然，查阅资料可知，APM 程序存储容量为256KB，其中8KB被Bootloader占用。如果程序大于248KB，当程序烧写进APM中时，会破坏APM的Bootloader。Bootloader破坏之后的现象就是：APM板上电后只有电源灯亮，且无法连接地面站。正是如此！

 

刷写Bootloader

 

        虽然Bootloader被博主无意中破坏，但天无绝人之路，从哪里弄坏，就从哪里修好。当自己买电子元器件和电路板，根据开源的APM硬件焊接APM板时，也需要给APM板重新烧写Bootloader。

硬件准备

 

        AVR单片机的USBASP或USBISP下载器×1。

软件准备

 

        1. 下载器配套软件，推荐progisp1.72。

        2. AVR的USB自编程软件：Flip。

        3. 32u2的驱动程序。

        4. 三个hex文件：Atmega2560的bootloader文件、32u2的bootloader文件和32u2的ppm程序文件。

        烧写过程概述：先给Atmega2560烧写bootloader，然后给Atmega32u2烧写bootloader，最后给32u2写入PPM解码通讯程序。

        烧写的视频教程（含驱动和hex文件下载）：[泡泡老师教程] 新手课堂，如何给修复或空板APM烧写 Bootloader

        烧写的文字教程：烧写APM板的Bootloader

        按照视频教程操作即可，可以不用转接线，直接用几根杜邦线连接，注意线序。

 

程序裁剪与下载

 

        既然程序容量有限，就需要对程序进行裁剪，比如拿剪刀把APM板剪掉一角。好了正经一点，所谓裁剪，最简单的就是将部分程序注释或删除，使编译之后的程序容量变小。要想裁剪APM，首先需要对飞控程序的结构有个大致的了解，才能在注释或删除代码的同时保证飞控的稳定性。先看看官网是怎么介绍飞控程序的：“The ArduPilot code base is quite large (about 700k lines for thecore ardupilot git tree) and can be quite intimidating to a new user.”，翻译过来就是飞控代码太太太多了，足足70万行估计你这小白搞不定。

        “他强任他强，清风抚山岗。他横由他横，明月照大江。”虽然飞控代码多，但是程序员有两板斧子，一看代码结构，二看主函数。

        根据上篇博文所述，使用VS2012配合VM插件查看APM3.2.1工程代码，其代码主要由多个pde文件组成，可简单理解为cpp文件。根据pde文件的命名，博主将代码分为6类：（1）主函数ArduCopter；（2）各种飞行模式，占了大部分程序，如control_acro、control_althold、control_auto等；（3）系统初始化system；（4）Mavlink通信GCS_Mavlink；（5）用户程序UserCode；（6）其他杂项。既然飞行模式的程序最多，博主就准备拿它开刀。

        要裁剪飞行模式，就得看主函数是如何调用各飞行模式的。看大型代码一定要带着目的去看，既然通过遥控可以切换飞行模式，那么判断处于飞行模式的代码一定是在某个循环中。这样一来就好办了，从ArduCopter.pde的fast_loop()函数入手，可以看到其代码不多，列出如下。

1. static void fast_loop()

2. {

3.  

4. // IMU DCM Algorithm

5. // --------------------

6. read_AHRS();

7.  

8. // run low level rate controllers that only require IMU data

9. attitude_control.rate_controller_run();

10.  

11. #if FRAME_CONFIG == HELI_FRAME

12. update_heli_control_dynamics();

13. #endif //HELI_FRAME

14.  

15. // write out the servo PWM values

16. // ------------------------------

17. set_servos_4();

18.  

19. // Inertial Nav

20. // --------------------

21. read_inertia();

22.  

23. // run the attitude controllers

24. update_flight_mode();

25.  

26. // optical flow

27. // --------------------

28. #if OPTFLOW == ENABLED

29. if(g.optflow_enabled) {

30. update_optical_flow();

31. }

32. #endif // OPTFLOW == ENABLED

33.  

34. }

        细心的朋友可能注意到了，顾名思义，update_flight_mode()就是更新飞行模式的函数。右键转到定义或按快捷键F12，可查看update_flight_mode()中是一串熟悉的switch-case语句，根据不同的case切换不同的飞行模式。以常见的自稳模式stabilize为例，可一直追踪下去，如高度控制，电机控制等。醉翁之意不在酒，在乎“飞行模式”也。

        目前已了解飞行模式如何调用，那么裁剪也就很自然了——注释掉暂时不同的飞行模式。博主将APM所支持的飞行模式列举如下，用的最多的当属自稳STABILIZE和悬停LOITER，因此可将其他的一些飞行模式注释掉。博主所用S500无人机的遥控器为6通道，开关SWC拨到上为自稳模式，拨到中为悬停模式，因此博主在代码中只保留了自稳STABILIZE、定高ALT_HOLD、悬停LOITER和降落LAND共4种模式。

        将飞行模式裁剪后，重新编译代码，惊喜出现了，程序容量从99%降到了89%。现在自信地下载代码，成功！快给博主点个赞~

        温馨提示：下载源码不会改变APM中传感器的参数，如加速度计、罗盘等，其参数在APM板的EEPROM中，通过地面站的一系列校准步骤写入。有关地面站的使用，详见新编APM-2.8.0中文入门手册。

 

APM飞控学习之路：5 串口概述与收发调试

2016年11月23日 20:11:23

阅读数：9558

        “云中谁寄锦书来，雁字回时，月满西楼”。当无人机在空中飞翔时，从APM飞控到飞手之间有几条看不见的“风筝线”——（1）2.4GHz的遥控；（2）433/915MHz的数传；（3）5.8GHz的图传；（4）osd（on-screen display）。其中遥控是大家最为熟知的，用于控制飞行和切换模式。数传说白了是一个披着射频的皮的无线串口，波特率57600，连接地面站可实时观测飞行数据和在线调参。图传是FPV（First Person View）必备，传输视频信号用于航拍。osd是锦上添花的部件，将飞行数据叠加到视频信号上一起传回地面接收机。

        遥控、图传和osd都是很成熟的产品，对于开源用户来说定制性不强，而数传可以传回用户感兴趣的任何数据以及在线调参，实为居家必备之良品。如果选购与APM适配的3DR数传，无需任何修改，插上APM即可在地面站（Mission Planner）监测无人机的飞行数据。从功能上看，数传与下载程序兼具串口功能的USB线别无二致，只是形态上有线无线而已。二者的技术基础是串口以及基于串口的Mavlink通信，本文主要讨论如何使用APM中的串口并进行二次开发。

 

APM2.8串口概述

        串口的英文名是UART，全称Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步接收/发送机，只要一对传输线（RX-TX）即可实现双向通信。串口通过USB转TTL模块可插在电脑的USB口，在设备管理器上体现为COM口，是单片机调试和通信的重要接口。

        对于APM2.8飞控，其主控芯片为Atmega2560，有4个串口，分别为UART0~UART3，在APM中起作用的只是前3个，即UART0、UART1和UART2。UART0接USB，UART1接GPS，UART2接数传。

        APM3.2.1源码为适应除APM之外的不同硬件（如PIXHAWK），在硬件抽象层HAL（Hardware Abstraction Layer）提供了通用的外设接口。在HAL.h中可以查看HAL类的声明，串口方面保留了_uartA~_uartE共5个。

1. class AP_HAL::HAL {

2. public:

3. HAL(AP_HAL::UARTDriver* _uartA, // console

4. AP_HAL::UARTDriver* _uartB, // 1st GPS

5. AP_HAL::UARTDriver* _uartC, // telem1

6. AP_HAL::UARTDriver* _uartD, // telem2

7. AP_HAL::UARTDriver* _uartE, // 2nd GPS

8. AP_HAL::I2CDriver* _i2c,

9. AP_HAL::SPIDeviceManager* _spi,

10. AP_HAL::AnalogIn* _analogin,

11. AP_HAL::Storage* _storage,

12. AP_HAL::UARTDriver* _console,

13. AP_HAL::GPIO* _gpio,

14. AP_HAL::RCInput* _rcin,

15. AP_HAL::RCOutput* _rcout,

16. AP_HAL::Scheduler* _scheduler,

17. AP_HAL::Util* _util)

18. :

19. uartA(_uartA),

20. uartB(_uartB),

21. uartC(_uartC),

22. uartD(_uartD),

23. uartE(_uartE),

24. i2c(_i2c),

25. spi(_spi),

26. analogin(_analogin),

27. storage(_storage),

28. console(_console),

29. gpio(_gpio),

30. rcin(_rcin),

31. rcout(_rcout),

32. scheduler(_scheduler),

33. util(_util)

34. {}

35.  

36. virtual void init(int argc, char * const argv[]) const = 0;

37.  

38. AP_HAL::UARTDriver* uartA;

39. AP_HAL::UARTDriver* uartB;

40. AP_HAL::UARTDriver* uartC;

41. AP_HAL::UARTDriver* uartD;

42. AP_HAL::UARTDriver* uartE;

43. AP_HAL::I2CDriver* i2c;

44. AP_HAL::SPIDeviceManager* spi;

45. AP_HAL::AnalogIn* analogin;

46. AP_HAL::Storage* storage;

47. AP_HAL::UARTDriver* console;

48. AP_HAL::GPIO* gpio;

49. AP_HAL::RCInput* rcin;

50. AP_HAL::RCOutput* rcout;

51. AP_HAL::Scheduler* scheduler;

52. AP_HAL::Util* util;

53. };

        落实到APM2.8飞控板上，从HAL_AVR_APM2_Class.cpp中可以查看串口的对应关系，同样可以得出只用了前3个，且UART0接USB，UART1接GPS，UART2接数传。源码与飞控板，一个底层，一个上层，“默契”地达成了一致。

 

1. HAL_AVR_APM2::HAL_AVR_APM2() :

2. AP_HAL::HAL(

3. &avrUart0Driver, /* phys UART0 -> uartA */

4. &avrUart1Driver, /* phys UART1 -> uartB */

5. &avrUart2Driver, /* phys UART2 -> uartC */

6. NULL, /* no uartD */

7. NULL, /* no uartE */

8. &avrI2CDriver,

9. &apm2SPIDriver,

10. &avrAnalogIn,

11. &avrEEPROMStorage,

12. &avrUart0Driver,

13. &avrGPIO,

14. &apm2RCInput,

15. &apm2RCOutput,

16. &avrScheduler,

17. &avrUtil )

18. {}

 

        如果大家仔细观察上面APM2.8的方框图，可以发现数传和USB接口都是走的UART0，这是为何？因为APM2.8采用了一种MUX复用的方式，使得当数传与USB同时接上的时候，USB会把数传屏蔽，即UART0占主导地位。在此祭出硬件原理图，TS5A23157是一个模拟开关，3DR代表数传。当USB和数传同时接上时，模拟开关会将3DR_RX与RX0接上，3DR_TX与TX0接上，即串口0把数传给屏蔽了。

 

串口源码分析

 

        一个串口要发挥作用，首先需要初始化，即配置波特率、设置起始位等操作。对于STM32单片机（用于PIXHAWK），还有串口中断等配置。APM中的Arduino单片机比较简单，只需配置好波特率，其余保持默认即可。

        Arduino程序的初始化，一般在setup()函数中。不出所料，串口的初始化也在其中，见ArduCopter.pde的setup()函数，可以看到初始化函数init_ardupilot()。

1. void setup()

2. {

3. cliSerial = hal.console;

4.  

5. // Load the default values of variables listed in var_info[]s

6. AP_Param::setup_sketch_defaults();

7.  

8. // setup storage layout for copter

9. StorageManager::set_layout_copter();

10.  

11. init_ardupilot();

12.  

13. // initialise the main loop scheduler

14. scheduler.init(&scheduler_tasks[0], sizeof(scheduler_tasks)/sizeof(scheduler_tasks[0]));

15. }

        在Visual Studio+VMICRO的环境下，按F12或鼠标右键可转到init_ardupilot()的定义，在system.pde的init_ardupilot()中摘出与uartA有关的代码以便分析。

1. hal.uartA->begin(map_baudrate(g.serial0_baud), 512, 128);，

2.  

3. //gcs[0].init(hal.uartA);

4.  

5. hal.uartA->set_blocking_writes(false);

        第1行和第3行很好理解，分别是uartA设置波特率（115200）和非阻塞模式，第2行的gcs[0]容易让人迷惑。gcs的全称为Ground Control Station，即地面工作站。再转到gcs的定义，可发现其数据类型为GCS_MAVLINK，由此可断定该行代码的作用是绑定Mavlink和uartA，将数据以Mavlink协议与地面站通信。为单独测试串口收发，可取消uartA与Mavlink的绑定，即注释掉gcs所在行的代码。

 

串口数据收发

        初始化搞定之后，就可以进行简单的串口收发测试——串口助手发数据给飞控，飞控返回原数据。串口的接收一般有2种方式：查询或中断。Arduino中的串口中断函数为SerialEvent，是一种软中断，博主将Arduino nano板中测试通过的串口中断代码移植到APM源码中，发现并不起作用。原因尚不明确，或许 APM板本身并不支持，也可能是博主移植的地方不合适。期待有心人进行尝试，欢迎留言讨论。
        为了推进测试进程，转向查询方式。有2种方式：1.在ArduCopter.pde的fast_loop中查询；2.在UserCode.pde中添加代码。如果要使用UserCode.pde，需在ArduCopter.pde添加相应的宏，才能将UserCode.pde加入编译。为了方便，博主在fast_loop()中添加串口接收查询代码：

1. static void fast_loop()

2. {

3.  

4. // IMU DCM Algorithm

5. // --------------------

6. read_AHRS();

7.  

8. // run low level rate controllers that only require IMU data

9. attitude_control.rate_controller_run();

10.  

11. #if FRAME_CONFIG == HELI_FRAME

12. update_heli_control_dynamics();

13. #endif //HELI_FRAME

14.  

15. // write out the servo PWM values

16. // ------------------------------

17. set_servos_4();

18.  

19. // Inertial Nav

20. // --------------------

21. read_inertia();

22.  

23. // 串口接收查询 by--岳小飞

24. while (hal.uartA->available())

25. {

26. uint8_t data = (uint8_t)hal.uartA->read();

27. hal.uartA->write(data);

28. }

29.  

30. // run the attitude controllers

31. update_flight_mode();

32.  

33. // optical flow

34. // --------------------

35. #if OPTFLOW == ENABLED

36. if(g.optflow_enabled) {

37. update_optical_flow();

38. }

39. #endif // OPTFLOW == ENABLED

40.  

41. }

        打开串口，APM飞控会发出一串提示字符，包括版本信息，如“Init ArduCopter V3.2.1”。博主发送“YueXiaoFei”，飞控原样返回，测试通过。基于这个简单的收发测试，大家可自定义数据协议，发送和接收感兴趣的飞行数据，也可学习基于串口的Mavlink协议。

        PS：无人机系列的第5篇至此结束，系列博客也随之告一段落。就应用方面而言，从入门到编译，从编译到调试，博主尽可能地将问题讲清楚，所有资料免积分下载，也算是为开源贡献自己的一份力吧。博客中可能存在一些小错误，也欢迎大家在评论区批评指正。力有不逮，敬请见谅~