基于開源飛控的四旋翼航拍飛行器的組裝與調(diào)試

王浩然，韓克龍，李若曦

（山東科技大學(xué)，山東 青島266590）

四旋翼作為一種具有特殊結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)翼無人飛行器，與固定翼無人機(jī)相比，它具有體積小，垂直起降，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，負(fù)載能力強(qiáng)，能快速、靈活地在各個(gè)方向進(jìn)行機(jī)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，且能執(zhí)行各種特殊、危險(xiǎn)任務(wù)等特點(diǎn)。

1 飛行器的結(jié)構(gòu)與組成

一架四旋翼飛行器是由起落架、機(jī)架、螺旋槳、無刷電機(jī)、電調(diào)、航模遙控器、電池、M8N GPS 模塊、兩軸云臺(tái)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、5.8 G 600 mV 圖傳模塊、飛行控制器等結(jié)構(gòu)組成。起落架為飛行器的起飛提供支撐，為飛行器的降落起減震作用。機(jī)架是飛行器的主體機(jī)械框架，為飛行器的各個(gè)部件提供支撐。機(jī)翼、無刷電機(jī)和電調(diào)為飛行器提供升力。航模遙控器對(duì)飛行器的姿態(tài)、飛行模式和飛行方向進(jìn)行控制。電池為飛行器提供動(dòng)力支持。M8N GPS 模塊可用于定位和規(guī)劃飛行器航程。兩軸云臺(tái)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)和5.8 G 600 mV 圖傳模塊可以實(shí)時(shí)提供飛行器當(dāng)前穩(wěn)定而清晰的畫面。飛行控制器是飛行器的核心部分，一般由主控芯片、各種傳感器、遙控模塊和電源模塊等組成。

2 飛行器的機(jī)械組裝

機(jī)械組裝包括起落架、機(jī)架的連接固定，電機(jī)的安裝，云臺(tái)以及電池座的固定等。提前檢查各部件的連接部位是否吻合，構(gòu)想出飛行器的大致結(jié)構(gòu)以便減少后續(xù)拆卸次數(shù)，提高組裝效率。按照由下至上的方式搭建四旋翼飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在機(jī)械組裝的過程中注意事項(xiàng)有以下幾點(diǎn)：①四個(gè)無刷電機(jī)對(duì)應(yīng)對(duì)角線的兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相同，非對(duì)應(yīng)對(duì)角線的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反；②出于對(duì)后續(xù)組裝和調(diào)試的安全考慮，暫時(shí)不安裝螺旋槳；③盡可能保證飛行器的重心位于飛行器機(jī)臂連線交點(diǎn)且在槳平面位置上。

3 飛行器硬件的安裝與連接

3.1 電源分電PCB 的焊接

將XT60 母頭焊接在PCB 上，然后依次焊接四個(gè)電調(diào)的電源線，在其他預(yù)留分電焊盤處焊接降壓模塊電源線以及圖傳電源線，不要出現(xiàn)虛焊點(diǎn)。焊接完成后，用萬用表依次測(cè)量各焊點(diǎn)是否存在斷路和短路現(xiàn)象。

3.2 飛控、GPS、遙控器接收器的安裝和連接

將飛控用海綿雙面膠粘在減震板上，減震板通過尼龍螺柱和螺母固定在機(jī)架的上層，以便后續(xù)模塊連接以及觀察飛控狀態(tài)。飛控的固定采用X 模型，實(shí)踐證明X 模型的飛行器更加穩(wěn)定。降壓模塊正負(fù)極輸出線分別插在飛控板表面的正負(fù)極引腳處。M8N GPS 模塊擁有兩個(gè)插頭，5pin 插頭插在飛控GPS 插口處，4pin 插頭插在飛控GPS 插口下方4pin的插口處。遙控器接收器的1～6 通道分別接在飛控INPUTS的1～6 通道。按照電機(jī)標(biāo)號(hào)將電調(diào)線分別插在飛控的OUTPUTS 的1～4 通道。接線一定要對(duì)應(yīng)好正負(fù)極和信號(hào)，切忌出現(xiàn)正負(fù)極反接的情況。飛控表面的箭頭指向?qū)?yīng)機(jī)頭朝向。

3.3 地面站初始設(shè)置

使用開源飛控地面站Mission Planner，并提前安裝飛控的驅(qū)動(dòng)程序。將APM 與電腦通過數(shù)據(jù)線連接，在地面站中選擇對(duì)應(yīng)的端口并設(shè)置波特率為115 200 位/秒，然后點(diǎn)擊CONNECT，當(dāng)顯示DISCONNECT 時(shí)表示已經(jīng)連接成功。

3.4 相機(jī)、云臺(tái)和圖傳的安裝和連接

本無人機(jī)采用的航拍設(shè)置為兩軸云臺(tái)、SJ900 1 400 萬像素的山狗相機(jī)5.8 G 600 mW 的圖傳、7 寸高清雪花屏的顯示器。相機(jī)連接圖傳，由圖傳向外發(fā)出信號(hào)，云臺(tái)可使相機(jī)穩(wěn)定?；镜暮脚脑O(shè)施安裝于無人機(jī)的前側(cè)，方便對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝。

3.5 固件安裝

斷開APM 和電腦的連接，在主界面中“Install setup（初始設(shè)置）”，可看到該地面站提供了兩種固件安裝方式：Install Firmware（手動(dòng)模式）和Wizard（向?qū)Ｊ剑?。Wizard 向?qū)Ｊ诫m然比較人性化，但是出錯(cuò)概率比較大，建議使用Install Firmware 手動(dòng)模式安裝。因?yàn)锳PM 上市時(shí)間較早，目前已經(jīng)無法兼容最新版固件，所以在Install Firmware 界面點(diǎn)擊右下角Beta firmware pick previous Firmware，在下拉框中選擇早期的固件。固件安裝提示Done 成功后，點(diǎn)擊右上角的connect 連接按鈕，連接APM，查看APM 實(shí)時(shí)運(yùn)行姿態(tài)與數(shù)據(jù)。不要用無線數(shù)傳安裝固件，雖然無線數(shù)傳與USB 有著同樣的通信功能，但它缺少reset 信號(hào)，無法在刷固件的過程中給2560 復(fù)位，會(huì)導(dǎo)致安裝失敗。

3.6 遙控器校準(zhǔn)

遙控器校準(zhǔn)需要連接接收機(jī)，按照對(duì)應(yīng)通道進(jìn)行連接，四軸無人機(jī)至少連接四個(gè)通道，一般連接六個(gè)通道，會(huì)使無人機(jī)更穩(wěn)定。連接好后，連接APM 的USB 數(shù)據(jù)線（也可以通過數(shù)傳進(jìn)行連接），然后打開遙控器發(fā)射端電源，運(yùn)行Mission Planner。選擇好波特率與端口后，進(jìn)行以下操作：點(diǎn)擊connect 連接APM，接著點(diǎn)擊Install setup（初始設(shè)置）—Mandatory Hardware—Radio Calibrated（遙控校準(zhǔn)）—點(diǎn)擊窗口右邊的校準(zhǔn)遙控按鈕，將遙控器的兩個(gè)搖桿一次拉到最大值旋轉(zhuǎn)兩圈，得到搖桿最大值和最小值，點(diǎn)擊Click When Done 保存校準(zhǔn)。再次撥動(dòng)搖桿時(shí)界面的指示條有變化，則為校準(zhǔn)成功。

3.7 加速度計(jì)校準(zhǔn)

點(diǎn)擊Install setup 下的Mandatory Hardware 菜單，選擇Accel Calibration（加速度校準(zhǔn)），點(diǎn)擊右邊的校準(zhǔn)加速度計(jì)開始加速度計(jì)的校準(zhǔn)，根據(jù)界面提示依次將飛行器水平放置、左邊朝下、右邊朝下、機(jī)頭朝下、機(jī)尾朝下、背面朝下，每個(gè)姿態(tài)做完后都要點(diǎn)擊Click When Done，所有動(dòng)作校準(zhǔn)完成后，跳出Calibration successful（校準(zhǔn)成功）后，則為校準(zhǔn)完成。

3.8 羅盤校準(zhǔn)

點(diǎn)擊Install setup 下的Mandatory Hardware 菜單，選Compass 菜單，勾選Enable 選項(xiàng)、勾選使用自動(dòng)磁偏角以后點(diǎn)擊Live Calibration，然后彈出菜單：在60 s 內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)APM，每個(gè)軸轉(zhuǎn)一次，即俯仰360°一次，橫滾360°一次，水平原地自轉(zhuǎn)360°一次；如果是外置羅盤，轉(zhuǎn)動(dòng)外置羅盤。在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，系統(tǒng)不斷記錄羅盤傳感器采集的數(shù)據(jù)，Samples數(shù)據(jù)量不斷累加，60 s 后會(huì)彈出一個(gè)數(shù)據(jù)確認(rèn)菜單，點(diǎn)擊OK 保存完成羅盤的校準(zhǔn)。

3.9 飛行模式配置

APM 的功能切換可通過切換飛行模式實(shí)現(xiàn)，APM 有多種飛行模式可供選擇，一般一次只能設(shè)置六種，加上CH7、CH8 的輔助，最多設(shè)置八種。所以需要遙控器其中一個(gè)通道可以支持切換六段PWM 值輸出，一般用第五通道作為模式切換控制通道，當(dāng)?shù)谖逋ǖ垒斎氲腜WM 值分別在0～1 230、1 231～1 360、1 361～1490、1 491～1 620、1 621～1 749、1 750+這六個(gè)區(qū)間時(shí)，每個(gè)區(qū)間的值就可以開啟一個(gè)對(duì)應(yīng)的飛行模式，六個(gè)PWM 值為1 165、1 295、1 425、1 555、1 685、1 815。配置飛行模式前需要連接Mission Planner 與APM，點(diǎn)擊配置調(diào)試菜單選擇Flight Modes，彈出飛行模式配置界面后出現(xiàn)六個(gè)飛行模式對(duì)應(yīng)的PWM 值，模式的選擇在下拉框中選擇。將0～1230 設(shè)置為RTL（返航模式）。另外要保證模式切換開關(guān)隨時(shí)能切換到自穩(wěn)模式上，選擇好六個(gè)模式后點(diǎn)擊保存。

3.10 解鎖須知

完成遙控校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)和羅盤校準(zhǔn)后，解鎖連接Mission Planner 或者查看LED 是否成功解鎖。APM 的解鎖動(dòng)作以檢測(cè)到第三通道最低值+第四通道最高值為標(biāo)準(zhǔn)，即油門最低、方向最右、持續(xù)5 s。當(dāng)APM 收到解鎖信號(hào)后，APM 先自檢，紅燈閃爍，自檢通過，解鎖成功，紅燈常亮（地面站Mission Planner 中紅色DISARMED 會(huì)變成ARMED），表示解鎖成功。APM 解鎖以后，若15 s 內(nèi)沒有任何操作，自動(dòng)上鎖。手動(dòng)上鎖方法：油門最低，方向最左（PWM 最低）。APM 只有處于Stabilize、Acro、AltHold、Loiter 這幾種模式時(shí)才能解鎖，如果不能解鎖，檢查飛行模式是否正確，一般情況下建議從Stabilize 模式解鎖。

4 結(jié)論

雖然飛行系統(tǒng)和硬件設(shè)置均不存在問題，但是在無人機(jī)飛行過程中，飛行信號(hào)容易受到干擾，所以在控制時(shí)容易產(chǎn)生一些偏差。地面站的建立、GPS 的安裝和無人機(jī)失控的飛行保護(hù)系統(tǒng)使得飛行器在飛行時(shí)安全性得到提升，同時(shí)航拍系統(tǒng)的完善可以達(dá)到很好的航拍效果。