Paparazzi：軟硬件全開源的無人機(jī)飛控系統(tǒng)

1、Paparazzi ：軟硬件全開源的無人機(jī)飛控系統(tǒng)Paparazzi ：軟硬件全開源的無人機(jī)飛控系統(tǒng) 軟硬結(jié)合 Paparazzi 開源無人機(jī) Paparazzi（PPZ） 是一個(gè)軟硬件全開 源的項(xiàng)目， 它始于 2003 年，旨在通過來自社區(qū)的意見和 鼓 勵(lì)建立一個(gè)非常強(qiáng)大和靈活的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。它是一整套完 整成熟的解決方案 ,內(nèi)容不僅覆蓋 了飛行器上的軟硬件 ,包 括傳感器 ,電壓調(diào)節(jié)器 ,GPS 接收機(jī)、自動(dòng)駕駛軟件及算法 ; 同時(shí)也 包括地面站相關(guān)軟硬件 ,包括各種調(diào)制解調(diào)器 ,天線 等設(shè)備 ;同時(shí),它還有一個(gè)不斷進(jìn)化的用戶 友好的地面控制 站軟件。 PPZ 裝備的無人機(jī)的體系結(jié)構(gòu)如上圖

2、所示 ,可以理 解為在普通飛行器 （普通航模 ）和航模標(biāo)配 的遙控單元上 ,加 裝自動(dòng)飛控板、相關(guān)傳感器、無線 Modem, 同時(shí)配置地面控 制站 （PC 、調(diào) 制解調(diào)器、天線 ）,讓飛行器最后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛 飛行或者接受地面站的指令自主調(diào)整姿態(tài)飛行。 PPZ 系統(tǒng)的 關(guān)鍵特性是使用紅外線感應(yīng)器和飛行姿態(tài)慣性測量傳感器 , 通過計(jì)算來提供強(qiáng)大而 準(zhǔn)確的姿態(tài)估計(jì) ,讓飛行器不需要地 面手動(dòng)控制校準(zhǔn) ,即能自動(dòng)調(diào)整飛行狀態(tài)。控制者只需要在 地面站上給飛行器設(shè)定任務(wù) ,剩下的則交給飛行器則自己去 完成。所有的飛控、導(dǎo)航、姿態(tài)調(diào)整、 任務(wù)執(zhí)行等工作等 , 都是由飛控板全自動(dòng)完成。 當(dāng)然 , 地面人員也可

3、以隨時(shí)在自動(dòng) 控制和手動(dòng)控 制兩種狀態(tài)間自由切換。 靈活的 PPZ 通過不 同的設(shè)置 ,PPZ 既可以用于驅(qū)動(dòng)固定翼飛機(jī) ,也可以用于旋 翼機(jī)。下圖以一臺(tái)固定翼飛 機(jī)為例 ,說明裝配 PPZ 飛控儀 的飛機(jī)的機(jī)艙布局圖 ,當(dāng)然不同的情況可以有調(diào)整 ,配置也豐 簡 由人。 ? Autopilot Control Board 自動(dòng)控制板 ? Battery 電池? Datalink Radio-Modem & Antenna數(shù)據(jù)傳輸調(diào)制解調(diào)器和天線? GPS Receiver GPS 接收機(jī)? IR Sensor Board （if no IMU）紅外傳感板 （ 如果沒有 IMU）? Mo

4、tor & Controller 馬達(dá)和控制器? RC Receiver & Antenna遙控接收器和天線? Servos 伺服系統(tǒng)? Payload （Example: Camera & Video Transmitter） 負(fù)載 （諸如攝像機(jī)、 視頻傳輸 ）PPZ 的靈活性體現(xiàn)在它可以根 據(jù)用途特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn) （ 飛行速度、 飛行距離、 滯空時(shí)間、 負(fù)載 能 力、價(jià)格 ）, 選擇不同的飛行器 ,配置不同的飛控板、 傳感器、 通訊模塊和外設(shè)。 它的飛控板并不僅有一個(gè)單一的型號(hào) ,通過 多年的發(fā)展和進(jìn)化 ,PPZ 的飛控板共衍生出了十幾 款型號(hào)。 這些飛控板在不同的年代

5、被設(shè)計(jì)出來 ,不斷完善進(jìn)化 ,并出于 不同的目的增減板載接口 和模塊從而派生出不同的型號(hào)。比如 2013 年夏季為發(fā)布的 Lisa/S 型飛控板 ,只有 2.8 克的 重量 , 成為全球最輕的通用飛控板。與之相關(guān)的 ,PPZ 有一個(gè)很大的硬件兼容列表 ,涵蓋不同廠家的 各種模塊 , 諸如傳 感器(紅外,陀螺儀，GPS,慣性測量，空速)、調(diào)制解調(diào)器、遙控 器、模擬 /數(shù)字視頻系統(tǒng)、天線等。類似裝配臺(tái)式電腦,用戶可以完全根據(jù)自己的需求選擇相關(guān)配置 ,建成一套地空無人 機(jī)系統(tǒng) ,而 配置則可以異常靈活。以通訊模塊為例 :如果你只 是在視距范圍內(nèi)玩玩 ,可以省略 GPS, 配置 短距離的 2.4G 調(diào)

6、制解調(diào)器 ,純手動(dòng)控制 ;如果想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的完全自主駕駛 , 則可以配置 GPS 加上遠(yuǎn)距離無線調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù) 回傳和控制 ;又如果在電信運(yùn)營商信號(hào)覆蓋的區(qū)域內(nèi)玩,則可以用 3G 通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)給地面站。 除了使用硬件列表 上的設(shè)備外 ,PPZ 的大部分型號(hào)飛控板還有 GPIO 接口 ,因 此可以通過編程 來控制外接設(shè)備。最常見的例子 ,就是控制 外掛相機(jī)進(jìn)行航拍。 所有的配置數(shù)據(jù) ,都在設(shè)計(jì)和裝配調(diào)試無 人機(jī)的時(shí)候 , 通過一個(gè)管理中心的系統(tǒng) (Paparazzi Center) 進(jìn) 行配置 ,并以 xml 文件的形式保存。強(qiáng)大的 PPZ 圖為 PPZ 地面控制站 (GCS) 軟件

7、界面 ,可以看到衛(wèi)星地圖 ,飛機(jī)的飛行 計(jì)劃以及實(shí)際飛行軌 跡,飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù) ,以及各種控 制按鈕。 PPZ 是一個(gè)開源的項(xiàng)目 ,它的強(qiáng)大來自于全球各地 的無人機(jī)愛好者和一些大學(xué)研究機(jī)構(gòu)的貢獻(xiàn)。 在我剛開始 搜索 PPZ 資料時(shí)候 ,偶爾看到被提及“卡爾曼濾波”以及“四 元數(shù)算法”等。呃, 那些名字真的看不懂是啥玩意兒 ,但是我知 道它們肯定都很厲害而且已經(jīng)在 PPZ 上被實(shí)現(xiàn)。不 過我還 是做了相關(guān)搜索 ,這些都是用于自動(dòng)駕駛以及飛行姿態(tài)調(diào)整 的牛逼算法。 PPZ 為了適用于飛行器的各種姿態(tài)調(diào)整 ,做了 很高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。 而其中有些功能 ,在某些商業(yè)公司賣的飛控 上 都沒有實(shí)現(xiàn) （ 可

8、能覺得飛機(jī)不會(huì)在倒著飛的時(shí)候突然切換 控制權(quán)）。PPZ不同于普通的純粹以代碼為中心的開源軟件 項(xiàng)目 ,它不僅利用 Github 托管代碼和硬件原理 圖 CAD 設(shè) 計(jì)稿等設(shè)計(jì)資料。成功將 PPZ 跑起來需要主板與各種外圍 傳感器、舵機(jī)馬達(dá)的適配、 矯正、調(diào)試 ,以及為航空載機(jī)做 恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)定 ,這需要一定的經(jīng)驗(yàn)。 PPZ 把它的主網(wǎng)站構(gòu) 建 成為一個(gè) WIKI, 使得任何人都可以注冊(cè)帳號(hào)后上去編輯 和完善條目 ,補(bǔ)充和分享自己的經(jīng)驗(yàn)。 這樣一來 ,PPZ 就匯 集了全球各地精英愛好者的智慧 ,以及各種一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 經(jīng)驗(yàn)。此外開 源的優(yōu)點(diǎn) ,讓 ppz 可以利用開源社區(qū)的各種高 質(zhì)量軟件 （

9、例如 gpsd）, 避免重復(fù)的勞動(dòng)從而專 注于自動(dòng)導(dǎo) 航相關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)。開放性 ,促使 PPZ 發(fā)展的非常強(qiáng)大。 PPZ 的業(yè)內(nèi)地位和影響 PPZ 在業(yè)界有較高的知名度并曾 多次摘取多項(xiàng)榮譽(yù)。目前 PPZ 官網(wǎng)最新的新聞消息顯示 : 在不 久前于 9 月結(jié)束的國際微型飛行器會(huì)議和飛行比賽 （IMAV 2013） 中 ,PPZ 驅(qū)動(dòng)的飛機(jī) ,獲得戶 外組第一名 ,室內(nèi) 組操作第一名 ,室內(nèi)自主控制第三名的成績。其中 ,用到了最 新的只有 2.8 克 重量的 Lisa/S 飛控板。 可見 PPZ 在業(yè)內(nèi) 應(yīng)用的廣泛程度及其實(shí)力。 毫無疑問 ,現(xiàn)在在做無人機(jī)項(xiàng)目的公司 ,幾乎都會(huì)學(xué)習(xí)和了解過 PP

10、Z 項(xiàng)目。之前雷鋒網(wǎng)報(bào)道過 的全球最小的無人機(jī)是把雙刃劍 中的最小無人機(jī)使用的也就 是 Lisa/S 飛控板。 PPZ 將它 的設(shè)計(jì)理念和算法 ,不僅以代碼形式保存在 github 的代碼 庫中 ,而且也以可閱讀的知 識(shí)文章的形式分享在 wiki 中。所 以 ,如果一個(gè)企業(yè)要做一個(gè)無人機(jī)相關(guān)的研究開發(fā),PPZ 應(yīng)該 會(huì)給予巨大的幫助和啟發(fā)。估計(jì)一般的公司幾乎不可能 完全獨(dú)立于 PPZ 之外做出一套能夠與 PPZ 比肩的系統(tǒng)。 初創(chuàng)公司如果按照 PPZ 的全開源軟硬件設(shè)計(jì)和兼容硬件列 表,找一個(gè)載機(jī) （或 者自己設(shè)計(jì)一款 ）并作恰當(dāng)?shù)倪m配 ,則可以 快速推出自己的產(chǎn)品往往是初創(chuàng)企業(yè)推出產(chǎn)品 的捷

11、徑。 但是需要注意的是由于 PPZ 是開源的 ,競爭對(duì)手也能 推出類似的同質(zhì)化的產(chǎn)品 , 所以如何在 PPZ 光環(huán)之外 ,作 出自己的特色 ,往往是這些企業(yè)最需要考慮的。類似以前 MTK 方案從業(yè)者在手機(jī)行業(yè)的情況 ,大家拿到手的方案是相 同的,最后看誰做出來的產(chǎn)品有特色能賣的更好 ,就需要自己的神通了。個(gè)人如何開始使用 PPZPPZ 非常適合模型愛 好者和 geek 來玩。對(duì)于個(gè)人 DIY 愛好者 ,PPZ 官方網(wǎng)站 的 wiki 知識(shí)庫 , 已經(jīng)涵蓋了基本所有需要的知識(shí) , 所以官網(wǎng) 應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的開始點(diǎn)。國內(nèi)的一些模型論壇,已 經(jīng)有不少玩家在交流和分享經(jīng)驗(yàn) ,可以上去找找。某褲上搜索PPZ, 也能出來不少視頻 ,這些 都是前輩玩家貢獻(xiàn)的知識(shí)。對(duì)于初 級(jí)個(gè)人玩家來說 ,Ubuntu Linux 做為官方推薦的地面站操作 系統(tǒng)以及編譯環(huán)境 ,可能需 要一段過程適應(yīng)。另外 ,各種傳感 器、電路板是一個(gè)比較麻煩的問題。開源硬件不像開源軟件 那 樣成本僅為一臺(tái)電腦和一些帶寬 , 畢竟硬件需要掏錢真材 實(shí)料去購買焊接制作電路板 , 門檻稍