固定翼無人機組裝調試與飛行實訓 課件 項目四 在航模中加入智能控制（8學時）

項目四在航模中加入智能控制（實訓8學時）MissionPlanner地面站軟件安裝與應用（1學時）；APM飛控及其固件刷新（1學時）；APM飛控校準（2學時）；飛控機上安裝與參數設置（4學時）。掌握MissionPlanner地面站功能、軟件安裝及初步使用；復述APM飛控功能及各接口含義，學會固件刷新和飛控校準的正確方法；熟練進行APM飛控的機上安裝及其電源模塊、飛行模式、解鎖和失控保護等重要參數設置；對加入飛控的固定翼進行飛行測試，感受其與航模在飛行控制上的不同（可選）。主要實訓內容訓練要求與目標項目四在航模中加入智能控制（實訓8學時）本項目旨在利用上一個項目中已裝調完成的航模（也可以另選其它機型）作為飛行平臺，通過在機上加裝飛控和導航設備、在地面選配合適的地面站軟件，構建一套相對簡易的輕微型固定翼無人機系統，實現自主控制飛行；項目選用目前市場上常見且被眾多發(fā)燒友主流使用的MissionPlanner地面站、APM飛控及與其相適配的GPS和數傳電臺等作為主訓內容，為后續(xù)進一步學習和工作儲備基礎技能；項目為理實一體教學，按實訓課組織：任務下達→講解示范→分組訓練→總結講評。訓練內容均可在室內進行，兩人一組。APM飛控由實訓室提供，配套地面站軟件的筆記本電腦建議學生自備，便于課后將課堂內容復盤學習；本課件只是主講教師講解示范環(huán)節(jié)的思路提示，其它實訓環(huán)節(jié)參照上一個項目，主體思路可改以體現教師個人授課風格。項目教學說明1MissionPlanner地面站初識1-1MPlanner地面站功能基本功能：1.對APM/PIX進行燒錄固件2.安裝、配置和優(yōu)化參數3.規(guī)劃航點任務，可以使用google地圖或者其它地圖4.下載和分析飛行日志5.使用專用的PC飛行模擬軟件接口，進行硬件模擬飛行。MissionPlanner是一個免費的、開源的、由社區(qū)支持的無人機地面站控制軟件，由開源飛控APMautopilot項目組開發(fā)，現已成為一款基于Windows平臺運行的APM/PIX飛控的專屬地面站。拓展功能（與數傳電臺連接后）：1．實時發(fā)送飛行控制指令，上傳新的任務命令和設定參數。2．在行駛過程中實時顯示和監(jiān)控飛行器狀態(tài)，包括無人機位置和各種遙測參數等。3．記錄遙測日志，其中包含詳細的機載自動駕駛儀信息，并對遙測日志進行查看和分析。4．有圖傳時可顯示航拍實時視頻，并在在FPV（第一人稱視角）中控制飛行器。1MissionPlanner地面站初識1-2下載與安裝先下載并安裝.NetFramework組件（建議4.0以上版本），再下載并安裝MissionPlanner（建議MSI版），詳細步驟見教材。兩點說明：為什么要先下載NetFramework組件？NETFramework就是微軟WebServices引擎，旨在實現下列目標：1.提供一個一致的面向對象的編程環(huán)境，而無論對象代碼是在本地存儲和執(zhí)行，還是在本地執(zhí)行但在Internet上分布，或者是在遠程執(zhí)行的。2.提供一個將軟件部署和版本控制沖突最小化的代碼執(zhí)行環(huán)境。3.提供一個可提高代碼（包括由未知的或不完全受信任的第三方創(chuàng)建的代碼）執(zhí)行安全性的代碼執(zhí)行環(huán)境。4.提供一個可消除腳本環(huán)境或解釋環(huán)境的性能問題的代碼執(zhí)行環(huán)境。5.使開發(fā)人員的經驗在面對類型大不相同的應用程序（如基于Windows應用程序和基于Web應用程序）時保持一致。MissionPlanner安裝程序有MSI版和ZIP版：MSI版為應用程序安裝包版，安裝過程中會同時安裝APM的USB驅動，安裝后插上APM的USB線即可使用。ZIP版為綠色免安裝版，解壓縮即可使用，但是連接APM后需要手動安裝APM的USB驅動程序，驅動程序在解壓后的Driver文件夾中。1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知六個主菜單按鈕HUD地平儀窗口功能選擇窗口10個連接飛控飛行軌跡顯示窗口坐標顯示1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知飛行數據界面飛行計劃界面初始設置界面配置調試界面（1）空速，如果沒有安裝空速傳感器，則為地速；

（2）偏航距和轉彎速率（T）；（3）航向角；

（4）傾斜角；

（5）無線遙測信號連接強度；

（6）GPS時間；

（7）相對高度，藍條表示爬升速度；

（8）空速；

（9）地速；

（10）電池狀態(tài)，分別是電壓、電流、電量；

（11）仿真地平儀；

（12）飛機姿態(tài)；（13）GPS狀態(tài)；

（14）當前航點編號>與當前航點的距離；

（15）當前飛行模式。HUD窗口：地平儀顯示窗口（HeadUpDisplay，簡稱HUD），與有人機的飛機儀表盤相似，以圖形和數字的方式綜合顯示飛機的重要參數。該窗口大小可用鼠標在右邊界出現“‖”時拖拉調整。1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知飛行數據界面飛行計劃界面初始設置界面配置調試界面功能窗口之“快速”欄功能窗口之“動作”欄功能窗口之“起飛前檢查”欄功能窗口之“狀態(tài)”欄1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知飛行數據界面飛行計劃界面初始設置界面配置調試界面功能窗口之“虛擬儀表”欄功能窗口之“舵機”欄功能窗口之“遙測日志”欄功能窗口之“數據閃存日志”欄功能窗口之“腳本”欄功能窗口之“消息”欄1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知飛行數據界面飛行計劃界面初始設置界面配置調試界面用于規(guī)劃飛行任務，包括對每個航點的高度控制，待留時間，相機觸發(fā)、各種條件觸發(fā)、通道觸發(fā)、甚至自動起飛和降落規(guī)劃等等，比較適合做測繪任務規(guī)劃。1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知飛行數據界面飛行計劃界面初始設置界面配置調試界面用于對飛控固件的安裝與升級以及一些基本設置。1MissionPlanner地面站初識1-3相關界面認知飛行數據界面飛行計劃界面初始設置界面配置調試界面包含了對飛控進行詳盡的PID調節(jié)、參數調整等菜單，可以進行相關參數檢查與修改。在該界面的“Planner”菜單用以進行MP地面站顯示設置。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識1.APM是ArduPilotMega的縮寫，APM飛控是一款基于Arduino平臺完全免費開源的自動駕駛控制器，可應用于固定翼、直升機、多旋翼、地面車輛等，同時還可以搭配多款功能強大的地面控制站軟件（支持Windows、Mac和Linux）使用，并通過地面站在線升級固件、調參。什么是Arduino平臺？Arduino是一個開放源代碼的單芯片微電腦，它使用了AtmelAVR單片機，采用了基于開發(fā)源代碼的軟硬件平臺，構建于開放源代碼simpleI/O接口板，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識2.APM使用一套全雙工的無線數據傳輸系統（采用MAVLink協議）在地面站與自駕儀之間建立起一條數據鏈，即可組成一套無人機自動控制系統。運用ArduPilot系統，能夠低成本快速地進行小型無人機應用開發(fā)。什么是MAVLink協議？MAVLink是MicroAirVehicleLink的縮寫，是一個用于小型無人機的通信協議。它是一個只有頭文件信息的類型庫列集，MAVLink最早以LGPL協議在2009年發(fā)布。主要被用于地面站與無人機間通信，可以用來傳遞方向、GPS位置、速度等信息。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識1.核心微控制單元（MCU）采用ATMEL的8bit的ATMEGA25602.整合三軸陀螺儀與三軸加速度的六軸微機電系統（MEMS）傳感器MPU6000，配合三軸磁力計或GPS測得方向數據進行校正，實現方向余弦算法，計算出飛機姿態(tài)3.高度測量采用高精度數字空氣壓力傳感器MS-5611，測量空氣靜壓，用以換算成高度4.三軸磁力計HMC58835.8路PWM控制輸入6.11路模擬傳感器輸入7.11路PWM輸出（8路電調電機+3路云臺增穩(wěn)）8.板載16MB的AT45DB161D存儲器功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識可擴展選接設備：1.GPS模塊可選MTK3329級支持ublox輸出的NEO-6M、7M、LEA-6H等，測量飛機經緯度、高度、航跡方向（track）、地速等信息；2.可屏蔽板載PPM解碼功能，外接PPM解碼板或外接PPM接收機；3.可屏蔽板載羅盤，通過I2C接口只用外置羅盤；4.可選接OSD模塊，將無人機姿態(tài)、模式、速度、位置等重要數據疊加到圖像上并實時回傳；5.可選接空速、電流電壓、超聲波測距、光流定點等各類傳感器；6.可擴展其它UART、I2C、SPI設備。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識1.數傳接口；

2.模擬傳感器接口；

3.增穩(wěn)云臺輸出接口；4.ATMEGA2560SPI在線編程接口，可用于光流傳感器；

5.USB接口；6.遙控輸入；

7.功能選擇跳線；

8.GPS接口；

9.I2C外接羅盤接口；10.ATMEGA32U2SPI在線編程接口；11.多功能可配置MUX接口，默認為OSD輸出接口；12.電流電壓傳感器接口；13.

電調供電選擇跳線；14.電調輸出接口。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識蓋上蓋子后的正面接口情況，以及輸入或輸出端的直針和彎針兩種形式。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識APM背面接口：（1）SPI的MISO電壓選擇；（2）PPM輸入選擇；（3）MUX接口功能選擇。功能特點硬件構成接口介紹使用要求2APM飛控及其固件刷新2-1APM飛控初識1.供電：（1）APM飛控為5V供電，最高不要超過5.5V；（2）APM板上的兩片0.5A自恢復保險只對USB接口、電調接口和PM電流電源傳感器接口輸入的5V電源有效；（3）推薦使用帶UBEC的電調或者帶UBEC輸出的電流電壓傳感器進行供電，使用這兩處接口供電，要將板上標記JP1的排針用一個2.0跳線帽插上；（4）多個帶UBEC輸出電調都插上的話存在輸出并聯的情況，如果電調使用的是開關型穩(wěn)壓模塊，那么建議只用一個電調的UBEC輸出對APM供電，其它電調的正極線用挑針從3P杜邦頭中挑出，而使用線性穩(wěn)壓模式的電調可以并聯，不需要挑線。2．通訊連接：不要同時使用數傳和USB線連接調試APM。3．減震：請盡量使用一個減震平臺來安裝APM主板。4．氣壓計遮光：盡量在氣壓計上覆蓋一塊黑色海綿用來遮光，避免高精氣壓計對溫度的變化過于敏感。2APM飛控及其固件刷新2-2固件刷新什么是固件？固件（Firmware）就是數碼產品最基礎、最底層工作的軟件，一般存儲于設備中的電可擦除只讀存儲器EEPROM或FLASH芯片中，可通過特定的刷新程序進行安裝與升級。APM飛控的性能及功能由內置的固件所決定，升級固件可以完善飛控的功能、增強穩(wěn)定性、修補漏洞。固件刷新步驟：1．APM與電腦USB連接：飛控加電并便于被電腦識別端口COMx；2．打開MissionPlanner地面站軟件；3．APM與MP通信連接：選擇COMx端口，波特率選擇115200；4．固件刷新：在主菜單欄點擊“初始設置”選項，選擇手動模式（InstallFirmware），在右側窗口中選擇固定翼，MP就會自動從網絡上下載該固件，然后自動完成連接APM→寫入程序→校驗程序→斷開連接等一系列動作；5．檢驗：查看APM實時運行姿態(tài)與數據。3APM飛控校準APM固件下載后，要做遙控器校準、加速度校準、羅盤校準，如果不做，后續(xù)的解鎖是不能進行的，MP的姿態(tài)界面上也會不斷彈出紅色提示：PreArm：RCnotcalibrated（解鎖準備：遙控器沒有校準）PreArm：INSnotcalibrated（加速度沒有校準）PreArm：Compassnotcalibrated（羅盤沒有校準）注意1：APM刷固定翼，通電后，指示燈：紅藍快閃-紅慢閃-紅亮-藍亮（若GPS衛(wèi)星接收小于5個，藍燈為慢閃）。這里APM刷的是固定翼固件，所以紅燈亮，如果刷的是多軸無人機固件則為紅藍慢閃。注意2：調校時最好不要接電機，即使接了電機也不要裝螺旋槳，以保證安全。3APM飛控校準無線數傳和MicroUSB連接線都可以實現APM與MP之間數據下載與上傳，但優(yōu)先權不如USB連接。3-1無線數傳通信連接步驟一：兩種常見數傳的連接方式。3DR數傳機載端需TTL轉USB刷機小板接到飛控，地面端通過USB接到電腦；V5機載端和地面端通用。3DR無線數傳V5無線數傳步驟二：數傳COM端口確認。3APM飛控校準3-1無線數傳通信連接步驟三：連接。打開MP地面站，數傳連上電腦USB口，右上角選擇正確的數傳端口，傳輸速率選57600，點擊MP的連接，即可實現地面站和飛控通過數傳通信使用。注意：如果數傳版本不對或原本不是一對的數傳需要進行配對使用時，必須對固件進行刷新或重新設置。3APM飛控校準步驟一：APM與MP線路連接。USB連接和數傳電臺連接均可。3-2遙控器校準步驟二：選擇遙控器校準。順序點擊“初始設置”>>“必要硬件”>>“遙控器校準”，出現各輸入通道的綠色條，長短對應其PWM值。各通道與遙控器對應關系分別是：Roll橫側(1通道)、Pitch俯仰(2通道)、Throttle油門(3通道)、Yaw偏航(4通道)、Radio8飛行模式(5通道)、Radio6(6通道)、Radio7(7通道)。步驟三：校準遙控器，保存。撥動遙控開關，使每個通道的紅色提示條移動到上下限的位置且方向正確；然后點擊ClickwhenDone保存。3APM飛控校準步驟一：APM與MP線路連接。USB連接和數傳電臺連接均可，注意正確的機頭朝向。3-3加速度計校準步驟二：選擇加速度校準。順序點擊“初始設置”>>“必要硬件”>>“加速度計校準”，然后按提示進行方位校準。步驟三：校準后檢驗。進入“飛機數據”界面，將APM平放，利用仿真地平儀檢驗。水平level位置校準左側Left位置校準右側Right位置校準頭下nosedown位置校準頭上noseup位置校準背面back位置校準校準完成3APM飛控校準步驟一：APM與MP線路連接。USB連接和數傳電臺連接均可，注意正確的機頭朝向。3-4磁羅盤校準步驟二：選擇磁羅盤校準。順序點擊“初始設置”>>“必要硬件”>>“指南針”，在右邊校準窗口點擊“內置羅盤”欄，再點擊“現場校準”開始進入羅盤的校準操作。步驟三：開始內羅盤校準。在60秒內轉動APM，每個軸至少轉一次；轉動過程中，帶紅、藍、白點的三軸圖跟著轉動，白點會逐漸減少并消失，藍點會越來越多，組成一個球面，同時進程條數字逐漸變大，測量點越來越多。3APM飛控校準3-4磁羅盤校準步驟四：磁羅盤校準完成。當測量樣本點達到一定量時就會提示退出進程窗口（自動和人工兩種方式），顯示校準成功，點擊“ok”，并給出三軸的磁偏量，磁偏量數字綠色表示有效，紅色表示無效。步驟五：檢驗。進入“飛行數據”界面，轉動APM飛控，檢查航向角是否正確。外羅盤校準：在APM斷電時，將GPS兩個接線頭分別插到I2C外接羅盤接口和GPS接口上，拔下JP2跳線帽（APM插上JP2跳線帽則內羅盤內有效，拔下則外羅盤有效），再安內羅盤校準步驟進行。注意：羅盤校射和檢驗過程中必須遠離磁干擾！4APM機上安裝與參數設置4-1固定翼飛行模式固定翼飛行模式羅列：（具體含義參見教材陳述）MANUAL手動模式（純手動，航模）STABILIZE簡單增穩(wěn)模式（飛控簡單增穩(wěn)）FBWA線性A增穩(wěn)模式（最手最佳模式）FBWB線性B增穩(wěn)模式（定高）CRUISE巡航模式（增加了鎖向功能，適合遠距離FPV飛行）LOITER定點模式（以當前位置為圓心定高繞圈）AUTO自動模式（根據地面站航點飛行）RTL自動返航模式（自動回家）Takeoff起飛模式Land降落模式4APM機上安裝與參數設置4-1固定翼飛行模式遙控器飛行模式通道設置：在控上選擇一個2檔開關和一個3檔開關，進行關聯設置，組合得到6個不同檔位，使得設置好后：當2檔開關處于第0檔位時：3檔開關的0/1/2檔，分別對應模式1/3/5當2檔開關處于第1檔位時：3檔開關的0/1/2檔，分別對應模式2/4/6設置方法（具體型號遙控器設置方法詳見教材陳述）：遙控器與APM聯通，APM與MP聯通；一般以遙控器的第五通道作為模式切換控制通道（固定翼是第八通道），當輸入的PWM值分別在0-1230，1231-1360，1361-1490，1491-1620，1621-1749，1750+這六個區(qū)間時，每個區(qū)間的值就可以開起一個對應的飛行模式，推薦的六個PWM值是1165，1295，1425，1555，1685，1815。也可只用3檔開關設置3個飛行模式，則須對應模式1/3/5或2/4/6。4APM機上安裝與參數設置4-1固定翼飛行模式MP地面站飛行模式通道設置：（1）連接MP與APM；（2）點擊:配置調試>>FlightModes；（3）配置飛行模式1-6；

（4）點擊保存模式。參考：1#

MANUAL；2#FBWB；3#STABILIZE；4#LOITER；5#FBWA；6#RTL。4APM機上安裝與參數設置4-2安裝與檢查APM飛控機上安裝：1.在機身左側與APM的Micro-USB口對應位置挖孔，便于后續(xù)飛控調參時連接Micro-USB接口；2.將接收機與APM的INPUTS口連接；3.用烙鐵在機翼中軸、中翼舵機略后位置燙穿一個圓孔，將GPS線穿過圓孔連接到APM上，GPS用雙面膠粘貼與機翼背部，注意GPS箭頭沿中軸線指向機頭前方；4.將舵機線、電調BEC線與APM的OUTPUTS口連接；5.將電源模塊的BEC接頭插入APM的PM接口，電源模塊的輸出端與電調的輸入端連接（無電源模塊直接跳過）；6.將APM飛控底部貼上雙面貼，粘在第3艙底部，注意APM箭頭與機身平行且指向機頭；接收機粘到機艙內側壁上。此步APM用緩沖座粘于機艙底部也可以。4APM機上安裝與參數設置4-2安裝與檢查飛控安裝后檢查：1.開遙控器，油門最小、微調歸零，飛行模式置于“Manual”或“Stabilize”位置；2.打開MP地面站，將APM與MP連接，遙控器對頻；3.飛機加電：電池與電調輸入端連接；4.檢查遙控器通道和舵面方向是否一致，不一致重新調參：（1）副翼搖桿：左打-副翼左上右下，右打-副翼右上左下；（2）升降搖桿：上推-升降舵上偏，下拉-升降舵下偏；（3）油門搖桿：推油門桿電機不轉（因飛控未解鎖）；（4）方向搖桿：左打-方向舵左偏，右打-方向舵右偏。5.檢查飛行模式：扳動飛行模式開關，MP上飛行模式跟隨變動，無人機舵面會有輕微動作；6.在Manual飛行模式下，檢查各舵面是否在中位，如果不對則調整；7.檢查完畢后系統斷電。4APM機上安裝與參數設置為什么要設置解鎖/鎖定？解鎖目的是啟用電機，即在解鎖之前電機將無法啟動（油門控制無效）。所以設置解鎖/鎖定主要是防止：1.當飛行員沒有準備好飛行時，防止電機轉動（一個安全功能）；2.在飛控完全配置好并準備飛行之前，防止起飛。4-3解鎖/鎖定解鎖參數設置：三個，可在“全部參數表”中設置。1.ARMING_REQUIRE：是否設置鎖定/解鎖，1、2設置，0不設置（即無人機上電推油門電機就可以轉動），默認為1。2.ARMING_CHECK：解鎖之前是否檢查重要參數，默認為1。3.ARMING_RUDDER：設置飛控解鎖和鎖定的方向搖桿操縱方式，可選0（遙控器不能上鎖/解鎖，只能通過地面站進行上鎖/解鎖）、1（“油門最小+方向最右”打桿解鎖）、2（“油門最小+方向最右/左”均可打桿解鎖，固定翼無此功能，多旋翼才有），默認為1。解鎖/鎖定操作：1.用遙控器解鎖：方向桿打到最右，同時油門桿打到最低保持3秒，解鎖成功；2.用地面站解鎖/鎖定：按下“解鎖/鎖定”按鍵，按一次解鎖，再按為鎖定，如此循環(huán)。4APM機上安裝與參數設置具體含義：對飛控進行遙控器失控保護設置，告訴飛控在遙控器失控時如何進行后續(xù)飛行控制。4-4失控保護遙控器失控保護電池低電壓保護地面站失控保護設置原理：在飛控內設置一種或幾種針對遙控器失控的應急方案。當接收機接不到發(fā)射機信號時，第三通道會發(fā)送一個比最低PWM值還低的信號（非正常油門信號），為防止因PWM波動造成飛控“誤會”，飛控設定了一個小于最低油門PWM1016的閾值（默認為950），即飛控收到第三通道比950更低時，就認為遙控器失控并切換到保護模式。所以，失控信號（不低于910）<閾值（950）<1016。觸發(fā)條件：1．飛機超出RC遙控通訊范圍；2．遙控器意外關機；3．接收機故障，不能接收遙控信號。4APM機上安裝與參數設置4-4失控保護遙控器失控保護電池低電壓保護地面站失控保護設置方法：1．連接地面站、APM飛控和接收機，遙控器開機且已對頻；2．進入MP的“初始設置”>>“必要硬件”>>“失控保護”，勾選“電臺”下的“故障保護Pwm”，檢查或調整油門閾值為合適值；3．檢查油門，搖桿最低位，油門微調為零；4．進入遙控器的“參數設置”>>“高級設置”>>“失控設置”，移動圖標到“油門”，通過油門微調，使“Radio3”下面的PWM比油門閾值低10以上，但大于910，然后按確認，使該值保存到接收機里，同時遙控器上顯示失控設置的油門PWM百分比約為-4.7%；5．退出遙控器參數設置，使油門微調恢復到零。驗證：1．開自穩(wěn)模式或手動模式；2．關閉遙控器，第三通道應變?yōu)樵O定失控信號（971），飛行模式切換到Circle，5秒后變?yōu)镽TL且無法改變；3．打開遙控器，RTL不變，但改變一下飛行模式，RTL模式退出，表示失控保護設置成功。4APM