“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!
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。
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。
git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot.git
cd ardupilot/
git branch -a
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。
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。
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!
AP_HAL_MAIN();
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。
PS:无人机系列的第3篇至此结束,主要介绍了APM的固件和开发环境搭建,至于为何“不要下载!”,且看下回分解。