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，與固定翼無人機相比，它具有體積小，垂直起降，機動性強，負載能力強，能快速、靈活地在各個方向進行機動，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，且能執(zhí)行各種特殊、危險任務(wù)等特點。

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、機架、螺旋槳、無刷電機、電調(diào)、航模遙控器、電池、M8N GPS 模塊、兩軸云臺、運動相機、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。機架是飛行器的主體機械框架，為飛行器的各個部件提供支撐。機翼、無刷電機和電調(diào)為飛行器提供升力。航模遙控器對飛行器的姿態(tài)、飛行模式和飛行方向進行控制。電池為飛行器提供動力支持。M8N GPS 模塊可用于定位和規(guī)劃飛行器航程。兩軸云臺、運動相機和5.8 G 600 mV 圖傳模塊可以實時提供飛行器當(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 飛行器的機械組裝

機械組裝包括起落架、機架的連接固定，電機的安裝，云臺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械結(jié)構(gòu)。在機械組裝的過程中注意事項有以下幾點：①四個無刷電機對應(yīng)對角線的兩個電機的轉(zhuǎn)向相同，非對應(yīng)對角線的兩個電機轉(zhuǎn)向相反；②出于對后續(xù)組裝和調(diào)試的安全考慮，暫時不安裝螺旋槳；③盡可能保證飛行器的重心位于飛行器機臂連線交點且在槳平面位置上。

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。焊接完成后，用萬用表依次測量各焊點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，實踐證明X 模型的飛行器更加穩(wěn)定。降壓模塊正負極輸出線分別插在飛控板表面的正負極引腳處。M8N GPS 模塊擁有兩個插頭，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。按照電機標(biāo)號將電調(diào)線分別插在飛控的OUTPUTS 的1～4 通道。接線一定要對應(yīng)好正負極和信號，切忌出現(xiàn)正負極反接的情況。飛控表面的箭頭指向?qū)?yīng)機頭朝向。

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)動程序。將APM 與電腦通過數(shù)據(jù)線連接，在地面站中選擇對應(yīng)的端口并設(shè)置波特率為115 200 位/秒，然后點擊CONNECT，當(dāng)顯示DISCONNECT 時表示已經(jīng)連接成功。

3.4 相機、云臺和圖傳的安裝和連接

本無人機采用的航拍設(shè)置為兩軸云臺、SJ900 1 400 萬像素的山狗相機5.8 G 600 mW 的圖傳、7 寸高清雪花屏的顯示器。相機連接圖傳，由圖傳向外發(fā)出信號，云臺可使相機穩(wěn)定。基本的航拍設(shè)施安裝于無人機的前側(cè)，方便對目標(biāo)進行拍攝。

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（手動模式）和Wizard（向?qū)Ｊ剑izard 向?qū)Ｊ诫m然比較人性化，但是出錯概率比較大，建議使用Install Firmware 手動模式安裝。因為APM 上市時間較早，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，點擊右上角的connect 連接按鈕，連接APM，查看APM 實時運行姿態(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，無法在刷固件的過程中給2560 復(fù)位，會導(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，按照對應(yīng)通道進行連接，四軸無人機至少連接四個通道，一般連接六個通道，會使無人機更穩(wěn)定。連接好后，連接APM 的USB 數(shù)據(jù)線（也可以通過數(shù)傳進行連接），然后打開遙控器發(fā)射端電源，運行Mission Planner。選擇好波特率與端口后，進行以下操作：點擊connect 連接APM，接著點擊Install setup（初始設(shè)置）—Mandatory Hardware—Radio Calibrated（遙控校準(zhǔn)）—點擊窗口右邊的校準(zhǔn)遙控按鈕，將遙控器的兩個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，點擊Click When Done 保存校準(zhǔn)。再次撥動搖桿時界面的指示條有變化，則為校準(zhǔn)成功。

3.7 加速度計校準(zhǔn)

點擊Install setup 下的Mandatory Hardware 菜單，選擇Accel Calibration（加速度校準(zhǔn)），點擊右邊的校準(zhǔn)加速度計開始加速度計的校準(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、機頭朝下、機尾朝下、背面朝下，每個姿態(tài)做完后都要點擊Click When Done，所有動作校準(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)

點擊Install setup 下的Mandatory Hardware 菜單，選Compass 菜單，勾選Enable 選項、勾選使用自動磁偏角以后點擊Live Calibration，然后彈出菜單：在60 s 內(nèi)轉(zhuǎn)動APM，每個軸轉(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)動外置羅盤。在轉(zhuǎn)動的過程中，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 后會彈出一個數(shù)據(jù)確認菜單，點擊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+這六個區(qū)間時，每個區(qū)間的值就可以開啟一個對應(yīng)的飛行模式，六個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)六個飛行模式對應(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)隨時能切換到自穩(wěn)模式上，選擇好六個模式后點擊保存。

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 的解鎖動作以檢測到第三通道最低值+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，自動上鎖。手動上鎖方法：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，但是在無人機飛行過程中，飛行信號容易受到干擾，所以在控制時容易產(chǎn)生一些偏差。地面站的建立、GPS 的安裝和無人機失控的飛行保護系統(tǒng)使得飛行器在飛行時安全性得到提升，同時航拍系統(tǒng)的完善可以達到很好的航拍效果。