飞控硬件介绍及其主要传感器特性解析

飞行控制器是无人机的关键组件之一，它主要由主控单片机、IMU传感器、电源和输出IO等部分构成。这些硬件和传感器的特性对于无人机的二次开发至关重要，其性能和质量直接关系到无人机的稳定性、飞行性能和功能扩展能力。

本文将带领新手开发者深入了解飞行控制器的构成和功能及其主要传感器的特性，帮助开发者全面了解飞行控制器的工作原理和性能要求，为二次开发奠定基础。通过比较ICF5国产开源飞控和Pixhawk 6C飞控，帮助开发者快速理解这两款飞控在硬件构成上的异同，更好地进行无人机的二次开发，并实现更多功能和提升飞行性能。

传感器原理介绍

飞行控制器主要包括 IMU（惯性测量单元）、气压计、处理器等部件。IMU（惯性测量单元）由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴地磁传感器组成，是主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器。

这些传感器能感知无人机在空中的姿态、位置和运动状态，是无人机飞行控制的基石。

1、陀螺仪

陀螺仪是一种测量和维持方向的装置，核心部件是一个高速旋转的陀螺，它通过三个灵活连接的轴固定于一个框架内。不论外部框架如何移动，旋转的陀螺由于角动量守恒，能够保持其原始方向。安装在三个轴上的传感器可以精确检测并计算框架的旋转角度和速度。在航空器的自动控制系统中，陀螺仪充当角速度传感器，监测飞行器的俯仰、翻滚和偏航运动。然而，陀螺仪测得的是角速度，即物体旋转的速率，要确定其变化的角度需要对角速度信号进行积分计算。在长时间积分过程中，任何持续的测量误差都会累积，导致最终角度的计算出现偏差，这在航空领域中被称为“积分漂移”。

2.加速度计

加速度计在无人机的飞行控制系统中起着关键作用，它测量和分析无人机沿三维空间轴线的加速度，即速度的变化量和方向，为飞控系统提供精确的动态反馈。这使得系统能够实时调整无人机的姿态，支持其平衡和导航功能，特别是在处理俯仰、滚转和偏航等动作时。它还能检测飞行器在遭遇突如其来的气流变化或着陆时的震动，为飞控系统提供故障预警。

尽管加速度计对于飞控系统的稳定和可靠性至关重要，但在高振动环境下，它的性能可能会受到噪声的干扰，从而影响数据的准确性。所以，无人机的机体设计至关重要，电机震动导致的机身高频震动，对于飞行稳定性产生很大影响，减震设计在无人机目前的结构设计中占了很重要的部分。

3.磁力计

通过霍尔效应来测量磁场的强度，根据地磁向量，求出飞行器与磁北的夹角。由于地磁磁场太过微弱，只有0.5高斯，所以很容易受到外界干扰，数据变化较大。一般将地磁干扰分成硬磁干扰和软磁干扰两种。

硬磁干扰：认为是飞行器上被磁化的物质所产生的，一般干扰是一个固定值，不随着航向的变化而变化。

软磁干扰：认为是地磁磁场与飞行器周围的磁化物质相互作用而产生的，这个干扰数值通常不是一个固定值，与航向有关。

4.IMU姿态解算

IMU姿态解算

这些传感器测量的数据都会产生一定的误差，并可能受到环境的干扰，从而影响状态估计的精度。因此低精度的IMU，无法单独用于位置估计，但是IMU里面的传感器通过互补滤波，或者卡尔曼滤波可以获取更精确的姿态信息。互补滤波的思想在于把陀螺仪的高频部分和磁力计或加速度计的低频部分叠加在一起得到更准确更稳定的姿态。

5.GPS

位置信息的估算需要结合GPS或者外部的视觉里程计。

GPS定位：通过三边测量，地面接收机可以利用卫星信号的运行时间和当前位置信息来计算其位置，这些信息包含在发射信号中。当接收机与若干卫星的确切距离已知时，就可以计算出接收机的纬度、经度和高度，原则上，GPS接收器只需要三颗卫星的距离，就可以利用三边测量原理计算出它的三维位置。但是需要第四颗卫星来从系统时钟中估计接收机时钟的偏移量。只要有足够的卫星覆盖，GPS可为户外导航提供了良好的绝对定位。GPS可能会由于信号阻塞、在城市、峡谷、隧道以及其他近地面环境引起多径效应。多径效应是指：在GPS接收机接收卫星信号的过程中，除了接收到通过直线路径到达接收机的信号以外，还可能收到经接收机周围物体的反射再传播过来的卫星信号，这些反射的信号改变了传播方向、振幅、极化以及相位等，与直线信号产生叠加，从而使观测值偏离其真值而产生误差。

多径效应

组合导航技术：结合GPS、IMU、气压计和磁力计各自的优缺点，通过电子信号处理领域的技术，融合多种传感器的测量值，获得更精准的状态测量。

为了提升无人机的感知能力和飞行性能，除了以上基础传感器方案以外，无人机加入了光流传感器与IMU和GPS形成视觉导航系统。使用传统导航系统的无人机在室内等无GPS的环境中无法稳定飞行，而视觉导航系统在GPS信号不足的时候，光流可以接替GPS提供飞行器速度，让无人机在室内与室外环境中均能稳定飞行。

6.光流传感器

光流传感器

一般而言，光流是由于场景中前景目标本身的移动、相机的运动，或者两者的共同运动所产生的。光流利用的是图像的变化处理，用于检测地面的状态，从而监测飞机的移动；主要用于保持飞机的水平位置，以及在室内实现定高和定点飞行。

光流传感器原理图

• 原理介绍

如上图所示，光流传感器在不同的高度向左位移同样的距离，相同物体在光流传感器相机视野中向右位移的距离是不同的。

光流传感器通过运动物体在成像平面上的像素运动的瞬时速度，从而计算出物体的运动信息以及高度。

光流传感器输出的是xy两个轴向的速度数据，没有位置数据，而位置反馈可以通过速度积分获得，不可避免会产生漂移，但实际通过组合导航算法的处理，也可获得较为满意的使用效果。

• 光流算法原理

通过下视摄像头获得图像数据，分析图像的不同时刻的帧数据，得到像素的移动速度；然后将像素的移动速度转换成飞行器的移动速度。

光流约束方程假设I(x,y,t)为时刻t像素点(x,y)的像素值(亮度)，该像素点在两个图像帧之间移动了Δx，Δy，Δt。由此，可以推导出相同亮度的结论，即假设运动很小，可以得出其中(dx/dt, dy/dt) = (u, v)为待解像素的光流。

Lucas-Kanade光流算法基于光流的概念和假设，对相邻帧之间的图像进行差分计算，以估计像素点在空间和时间上的运动矢量。该算法的核心思想是利用图像信号的泰勒级数展开来描述相邻帧之间的图像变化，并通过对这些变化的偏导数进行计算来估计光流。

• 功能

光流模块在无GPS环境下，实时检测无人机水平移动距离，实现对无人机长时间的稳定悬停。下图显示的是光流模块的功能框图，光流摄像头拍摄无人机垂直向下的画面，输入光流主板，主板通过光流悬停智能算法进行光流计算，从而获取无人机位移信息，并转化为悬停控制指令，悬停控制指令通过UART输出给飞控，以便控制飞机水平移动距离，达到悬停的目的。

光流模块的功能框图

• 飞控处理光流输出的数据

1）首先是与高度的关系，光流的数据一般在低空范围内有效，比如5m以内，超过一定高度，得到的数据精度就会比较差了，同时与高度有一个线性的关系，根据高度的大小，对光流得到的机体xy速度进行缩放。

2）其次，进行姿态补偿。飞行器在原地晃动，比如左右摆动，光流会输出一个速度数据出来，而实际飞行器并未有位置上的变化，需要将这个误判的速度进行修正掉。

3）最后，yaw（偏航角）的旋转补偿。主要针对的是光流传感器并未放在飞行器中心位置，所以在原地yaw旋转运动时，xy会不对称的输出错误的数据，而这个数据是我们不需要的（实际飞行器并未运动）。

ICF5飞控硬件介绍

1.IMU惯性测量单元

• BMI088

BMI088是一款高性能6轴惯性传感器，由16位数字三轴±24g加速度计和16位数字三轴±2000°/ s陀螺仪组成。BMI088允许高精度测量方向和沿三个正交轴的运动检测。BMI088具有高振动鲁棒性和3x4.5x0.95mm³的小尺寸，是用于无人机和机器人应用等恶劣环境的高性能IMU中的独特产品。BMI088专门设计用于有效抑制由于PCB上的共振或整个系统的结构而可能发生的振动。除了高振动稳定性外，BMI088的出色温度稳定性还有助于降低系统级的设计工作量和成本。

• ICM-42688-P

ICM-42688-P 6轴运动跟踪惯性测量单元 (IMU) 提供基于超声波的障碍物检测，不受对象颜色、材料和环境照明条件影响。TDK Invensense ICM-42688-P IMU提供该传感功能，不会引起隐私或安全问题。这些运动传感器提供近距离传感，覆盖基于计算机视觉 (CV) 或LIDAR的解决方案的盲区。这些精确的低噪声器件设计用于机器人应用和无人机。

2.电子罗盘BMM150

该传感器也可与六轴MEMS（3轴加速度+3轴陀螺仪）配对使用以获得一个9自由度惯性测量单元。 该传感器是专为指南针应用设计的三轴数字地磁传感器，具有低功耗（170uA）低噪（0.3-1.4uT）低温漂（±0.01%/K）、高分辨率（0.3uT）和高指针准确度（误差最大±2.5°@30uT水平磁场分量@25°C）的特点。BMM150能提供绝对空间方向上的运动矢量，该产品可与六轴IMU（三轴加速度+三轴磁力计）搭配使用以获得一个9自由度姿态传感器的效果。BMM150还非常适合用于无人机这样的飞行项目中，轻便小巧的板子不会附加任何重量和占用体积，精准的空间方向可为无人机提供正确航向。

三轴地磁传感器（电子罗盘）是一种用于测量地球磁场强度的传感器，可以用来检测设备的方向和位置。它通常由三个磁传感器组成，每个传感器测量一个方向上的磁场强度。这些传感器可以是霍尔效应传感器、磁阻传感器或其他类型的磁传感器。当三个传感器的输出信号被处理时，可以计算出设备的方向和位置。三轴地磁传感器在飞控系统中起到重要作用，它能够计算出外部框架旋转的度数等数据，并作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器，测量设备自身的旋转运动。

3.气压计SPL06-001

SPL06-001定位精度可达5cm。气压计是飞控系统中常用的传感器之一，用于测量飞机所在位置的气压，进而计算高度。在飞控系统中，气压计的信号通常会与其他传感器，如高度计、GPS 等信号进行融合，以获得更准确的高度信息。飞控系统会根据计算得到的高度信息，自动调整飞机的姿态和升降舵，以保持飞机的稳定飞行。在某些情况下，气压计可能会受到外界环境的影响，导致测量结果不准确。例如，在极端天气条件下，气压计可能会受到风、雨、雪等的影响，从而导致高度计算出现偏差。为了应对这种情况，飞控系统通常会采用多种传感器融合算法，以提高飞控系统的稳定性和可靠性。

4.处理器GD32F470VGT6@240MHz

GD32F4系列MCU采用Arm® Cortex®-M4内核，处理器主频高达240MHz，可支持算法复杂度更高的嵌入式应用，具备更快速的实时处理能力，并拥有业界领先的大容量存储优势。GD32F4系列具有丰富的外设资源特性，可提供多达4个USART和4个UART，3个I2C，6个SPI，2个I2S，2个CAN2.0B、1个SDIO接口、1个10/100M以太网控制器，并支持USB2.0 FS和HS通信。还配备了3个采样率高达2.6M SPS的12位高速ADC和2个12位DAC。此外GD32F4产品系列集成了TFT LCD控制器和硬件图形加速器IPA, 以实现液晶驱动并显著提升显示图像显示画质。还支持8位至14位的Camera视频接口，便于连接数字摄像头并实现图像采集与传输。

ARM32 是一种基于 ARM 架构的 32 位处理器指令集。在飞控系统中，ARM32 处理器用于控制飞行器的各种执行器、传感器和通信模块，实现对飞行器的姿态稳定、导航控制等功能。飞控系统中的 ARM32 处理器需要具备实时性、功耗低、成本低等特点，以适应飞行器对硬件的要求。

5.SD卡

飞控中的内存卡通常用于存储飞行数据和程序代码。在无人机或飞行器中，内存卡的作用类似于计算机中的硬盘，可以记录和读取数据。然而，由于飞行器环境的特殊性，飞控中的内存卡需要具备更强的抗震动、耐高温和耐潮湿等性能。

6.存储设备Nor Flash W25Q16 16M-bit

W25Q16是为系统提供一个最小的空间、引脚和功耗的存储器解决方案的串行Flash存储器。25Q系列比普通的串行Flash存储器更灵活，性能更优越。基于双倍/四倍的SPI，它们能够可以立即完成提供数据给RAM，包括存储声音、文本和数据。芯片支持的工作电压2.7V到3.6V，正常工作电流小于5mA，掉电时低于1uA。

Pixhawk 6C飞控硬件介绍

1.处理器

主控芯片：STM32H743微控制器系列采用了32位宽的Flash存储器和外部存储器接口，并支持多种存储器类型，包括SRAM、SDRAM和NOR Flash。它还拥有多个通信接口，如SPI、I2C、UART和USB，并支持以太网通信。此外，STM32H743还具有丰富的外设功能，包括模数转换器（ADC）、数字电源供应器（DCD）、定时器和计数器、通用串行接口（USART）等。它还支持多种功耗模式，以满足不同的应用需求。

副控芯片：STM32F103搭载了ARM Cortex-M3内核，主频达到了最高72MHz，能够满足大多数应用的要求。它还内置了多种外设，如模数转换器（ADC）、通用串行总线（USART）、SPI、I2C、PWM和定时器等，可满足大多数应用的要求。 此外，STM32F103还内置了128KB的Flash存储器和20KB的SRAM，提供了充足的存储空间，以及支持USB连接和多种功耗模式的特性，更加适合要求较低成本的应用需求。

2.IMU惯性测量单元

• BMI055

BMI055是一种多轴惯性测量单元（IMU），包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。BMI055可用于测量和感知飞行器的姿态、运动和加速度等信息。

1）姿态估计：BMI055的陀螺仪部分可以测量飞行器在三个轴上的旋转速率，从而帮助计算飞行器的姿态（如俯仰、横滚和偏航角）。这对于飞行控制和姿态稳定非常重要。

2）运动检测：BMI055的加速度计部分可以测量飞行器在三个轴上的加速度，包括线性加速度和静态重力加速度。通过分析加速度数据，飞控系统可以检测飞行器的运动状态，如加速、减速、转弯等。

3）震动补偿：飞行器在飞行过程中可能会受到外界的震动和振动影响，这会干扰传感器的测量。BMI055的姿态信息，尤其是陀螺仪的数据，可以用于对这些干扰进行补偿，提高姿态估计的准确性。

4）姿态控制：基于BMI055提供的姿态和运动信息，飞控系统可以进行姿态控制，即通过调整飞行器的电动机输出来保持期望的飞行姿态。这对于实现稳定飞行和精确控制至关重要。

• ICM-42688-P

ICM-42688-P是一款高性能的惯性测量单元，它集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计在飞ICM-42688-P的作用主要有以下几个方面：

1）提供准确的姿态信息：ICM-42688-P能够测量无人机的加速度和角速度，从而 提供准确的姿态信息。这些信息对于实现稳定的飞行和精确的定位至关重要。

2）增强导航精度：ICM-42688-P的高性能陀螺仪可以提供高精度的角速度测量，这有助于增强无人机的导航精度。尤其是在GPS信号不可靠或者受到干扰的情况下，陀螺仪的数据可以帮助无人机进行精确定位和导航。

3）提高稳定性：ICM-42688-P的加速度计可以感知无人机的加速度，这使得无人机可以根据这些信息进行姿态调整，以保持稳定的飞行状态。

3.罗盘 IST8310

IST8310的作用主要是测量地球磁场的方向，提供绝对的坐标指向。

飞控系统需要知道无人机在空间中的姿态，也就是俯仰、横滚、航向的角度。地磁传感器的作用就是测量地球磁场的方向，进而推算出无人机的姿态。地磁传感器在无人机中作为姿态传感器使用，其测量的磁场信息可以用于修正由GPS引起的误差，提高定位精度。

4.气压计ms5611

MS5611基于压电传感器技术，能够测量从10到1100 hPa的范围内的气压，在温度变化时输出的数字值也能够很好地进行校准和补偿，具有高度的可靠性和稳定性。无人机在飞行中需要准确地掌握高度信息，以便进行稳定的飞行和任务执行。气压计MS5611能够实时测量大气压力，并通过与地面大气压力的差异计算无人机的相对高度。通过与其他传感器（如陀螺仪和加速度计）的数据配合使用，可以实现准确的高度控制。此外，MS5611还可用于气压定高功能。无人机在飞行中需要维持特定的高度，如悬停或特定高度的飞行任务。通过周期性地测量气压数据，并与设定的目标高度进行比较，无人机可以调整油门来保持稳定的飞行高度。

飞控接口介绍

1.DSM

DSM飞控的接口是一种数字串行通信协议，通常用于与遥控器进行通信。DSM接口可以传输遥控器的通道数据，以及其他遥控器的状态信息。拓展应用方面，DSM接口可以用于以下情况：

（1）遥控器绑定：飞控的DSM接口可以用于接收来自遥控器的绑定信号，以建立与遥控器的通信连接。通过这种方式，飞控可以与特定的遥控器进行配对，确保只有绑定的遥控器能够控制飞行器。

（2）遥控器输入：通过DSM接口，飞控可以接收遥控器传来的通道数据，例如油门、横滚、俯仰和偏航等操作信号。这些数据可以用于控制飞行器的姿态、高度、速度等参数。飞控通常会对这些输入信号进行处理和解码，以执行相应的控制算法。

（3）遥控器状态：除了通道数据，DSM接口还可以传输遥控器的状态信息，例如舵量、遥控器电量、信号强度等。这些信息可以用于监控遥控器的状态，以及在必要时发出警报或采取相应的措施。

飞控的DSM接口是实现飞行器与遥控器之间通信的一种方式，通过接收遥控器的输入信号和状态信息，飞控可以实现对飞行器的控制，并与遥控器进行信息交流。

2.USB

一种用于连接外部设备和飞行控制器的通信接口，常位于飞控主板上，并提供了一个标准的USB Type-A或Micro-USB插口，用于与计算机、遥控器或其他设备进行数据传输和通信。

3.Power1/Power2

通过Power1.2接口，飞控可以接收来自电池或其他电源模块的直流电源，为飞行控制器和其他相关设备提供所需的电力。这个接口通常具有正负极性标识，以确保正确连接电源。

GPS1和GPS2用于连接全球定位系统（GPS）模块，以实现准确的定位和导航功能。GPS1口相对于GPS2口多了一个安全开关，提供更好的位置隐私和安全保护。通过打开安全开关，您可以选择禁用设备上的GPS功能，并阻止应用程序和服务获取您的位置信息。gps2口可以接I2C，gps1口无法接。

4.Telem1/Telem2/Telem3

用于与遥控器或其他设备进行串口通信，以实现遥控指令传输、数据传输等功能,顺序没有影响，但Telem3可以接一个i2c的设备，而Telem1.Telem2无法,对于Telem1和Telem2相比，Telem1有单独的1.5A电流的限制。

5.CAN1,CAN2

在飞控中，CAN接口通常用于连接电调（电子调速器）、电池管理系统（BMS）、光流传感器、陀螺仪等外部设备。通过CAN总线，这些设备可以与飞控进行双向数据交换，实现多通道控制和数据传输。通过CAN接口，飞控可以发送命令和指令给外部设备，并接收来自这些设备的状态信息和传感器数据。这种方式可以提高系统的整体性能和可靠性，同时减少对其他接口的占用。两个接口作用相同，可以通用。

6.SBUS OUT

通过SBUS OUT接口，飞控可以将来自遥控器的控制信号传输给其他设备，如无人机电调（电子调速器）或其他支持SBUS输入的设备。这样，飞控可以实现与其他设备的通信和控制，使得整个系统能够进行精确的姿态控制和飞行操作。 需要注意的是，SBUS OUT接口通常使用标准的三针连接器，其中包括信号线、电源线和地线。在连接到其他设备之前，请确保正确连接接口，并遵循相关的操作说明。 另外，SBUS OUT接口通常是可配置的，您可以通过飞控的软件配置界面或参数设置来选择相应的SBUS输出通道和映射方式，以适配不同的设备和控制需求。

7.I2C

连接各种类型的传感器，如气压计、温度传感器、罗盘等。此外，还可以连接其他扩展模块，如GPS模块、光流传感器、距离传感器等。这些外部设备通过I2C总线与飞控进行数据交换和通信。使用I2C接口连接外部设备时，通常需要注意以下几点：确保正确连接：根据设备和飞控的规格和要求，将I2C接口的SDA（数据线）和SCL（时钟线）连接到相应的引脚。地址冲突：多个设备通过I2C总线连接时，需要确保每个设备具有唯一的地址，以避免地址冲突。在配置设备时，请确保设备的I2C地址设置正确，并在飞控的相关参数中进行相应的配置。供电和电平匹配：确定外部设备的供电要求和电平适配，以确保正确的供电和信号传输。配置和校准：在连接外部设备之前，需要根据设备的要求，对飞控进行相应的配置和校准，以使其能够正确识别并与外部设备进行通信。

8.PPM/SBUS RC IN

接口是用于接收遥控器信号的接口。它支持两种常见的遥控器信号输入协议，即PPM（脉冲位置调制）和SBUS（串行总线）。

PPM是一种将多个通道的控制信号合并成一个单一的信号进行传输的方式。通过PPM输入接口，飞控可以从连接的遥控器接收到PPM信号，并解析出各个通道的控制值，如油门、方向、俯仰等。

SBUS是一种串行总线协议，采用数字序列来传输多个通道的控制信号。通过SBUS输入接口，飞控可以直接接收来自支持SBUS输出的遥控器的信号，并解析出各个通道的控制值。

9.FMU PWM OUT/IO OUT

是两种不同的输出接口，具有不同的功能和用途。FMU PWM OUT接口是用于输出PWM信号给舵机或电调的接口，由飞行管理单元（FMU）控制。这些PWM输出通道通常用于控制飞行器的各个舵机，如油门、俯仰、横滚、方向等。每个PWM输出通道都可以单独设置，并通过PWM信号来控制对应的舵机或电调的位置或转速。I/O OUT接口是用于通用输入/输出的接口，可用于连接各种外部设备或传感器。I/O OUT接口通常是数字信号（高低电平），可以用于与其他设备进行触发、控制或数据传输。您可以通过配置相关参数，将I/O OUT接口用于特定的用途，如触发相机快门、连接LED灯条、连接距离传感器等。

10.I/O Debug

用于IO芯片调试，读取调试信息。

11.FMU Debug

用于FMU芯片调试，读取调试信息。

总结

本文从飞控传感器的基础原理到ICF5与Pixhawk 6C硬件的细致对比，再到对硬件接口的具体分析，我们试图构建一个知识的大厦，让初学者站在巨人的肩膀上。希望这篇文章能够为您提供清晰的方向，在理解无人机的复杂世界中迈出坚实的第一步。当然，这仅仅是开始，无人机技术的海洋辽阔而深邃，愿您的探索之路充满惊奇与发现。就让我们一同期待，在您的学习和实践中，无人机将如何展现其更多的可能性。