基于APM的開源測繪無人機組裝流程探討

劉亞非

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

低空無人機航空攝影測量技術因其高時效、高分辨率、低成本及可重復性等優勢，在諸多領域得到廣泛應用[1]。首先通過無人機飛行平臺所搭載的高分辨率CCD相機、激光掃描儀等機載遙感設備獲取的信息，再利用計算機圖像處理軟件根據實際的使用環境和特定的精度要求，制作符合要求的圖像。無人機測繪搭載的設備有可見光相機、激光雷達(LIDAR)、合成孔徑雷達等，后端數據處理程序有Smart 3D、PIX4D等。無人機攝影成圖的基本流程見圖1。

圖1 無人機攝影成圖基本流程

無人機測繪作業時，受外界環境條件影響較大，且對“飛手”操控水平要求較高。一旦發生“炸機”情況，就需要送廠返修，來回耽誤時間很長，這對于工期要求很緊的現場測繪作業項目來說很難接受。為了解決該問題，基于開源固件Ardupilot，采用市場很方便就能購得的相關零部件，自制4軸多旋翼無人機。自制無人機除了能夠大幅度降低成本外，如果飛機在作業現場發生損壞，飛手很容易地能夠修復飛機，從而不耽誤現場的測繪作業進度；另外，還能夠根據搭載設備的重量、種類、續航時間要求，配置不同的飛行平臺，以適應不同領域的測繪需求，滿足現場生產需要。大疆最新的兩款機型和作者自制機對比見圖2，其中，開源4軸、荷載10 kN無人機可用于CCD相機作業；開源8軸、荷載60 kN無人機可滿足激光雷達(LIDAR)作業需求(見圖2)。

圖2 開源機與成品機外觀比較

2 測繪無人機組成

測繪用無人機一般由兩部分構成，一部分是飛行系統(飛行平臺)，另一部分是荷載系統(機載設備系統)。飛行平臺有多旋翼、直升機、固定翼、垂直起降固定翼等，具體選用哪種飛行平臺，主要由作業要求和荷載重量決定；機載設備有數字相機、激光雷達等，具體選用哪種設備，主要由數據需求決定[2]。

飛行平臺一般分為兩大部分，一部分是硬件部分，一部分是軟件部分。硬件部分采用市場上常用零部件，包括：F450機架、無刷電機(980 kV)、Pixhawk飛控、M8N的GPS、樂迪遙控器及配套接收機、好盈20A電調、螺旋槳、數傳電臺、圖傳等；軟件部分主要是飛控固件，采用基于開源APM生成的多旋翼Copter固件。

APM項目至誕生到現在，大約有十多年的歷史，其固件版本也由當時的V2.0版本發展到現在的V4.1版本，APM固件開源且免費，運行性能穩定，功能強大，其中的Copter系列固件為自制多旋翼無人機的首選。

2.1 飛行平臺的組裝

飛行平臺為典型的F450多旋翼無人機套裝配件(見圖3)，整個套件價格不超過￥2000元。自制無人機原則：首先確定無人機的用途，進而確定無人機的荷載，荷載確定后要考慮無人機的標準，并注意各項指標均衡。另外，最重要的一點就是安全性，其次才是操控性、性價比、續航時間、負載能力等。

圖3 F450多旋翼無人機套材

在無人機組裝的時候要重點注意幾個問題：①焊接問題，電烙鐵建議選取150W的電烙鐵，焊錫的連接處要使用熱縮管絕緣，不要使用絕緣膠布。②在進行螺絲連接的時候，一定要打螺絲膠(無人機工作時整體處于震動狀態，容易出現螺絲松動的現象，打螺絲膠能夠有效地避免螺絲松動)[3]；③無人機組裝是個細致耐心的工作，要仔細熟悉無人機各部件的性能指標，如接收機PWM信號與SBUS信號的區別，SERIAL接口與IIC接口的區別，GPS接收機5針和6針的區別等。

2.2 無人機固件編譯環境的建立

無人機固件編譯是自制無人機的核心工作。Windows環境下無人機固件編譯環境需要的工具主要有以下幾種[4]。

(1)Cygwin64-set.exe

該工具為一個運行于Windows系統上輕量化的Linux虛擬機，可以在Windows環境下運行Linux命令。在Cygwin64中有很多軟件包，包括Python、Pip、Pymavlink等庫文件[5]。

MavproxySetup.exe：該工具主要功能為建立無人機模擬飛行仿真環境的；配置腳本：通過Github下載APM官網提供的自動腳本文件，以便建立APM的編譯環境。

(2)Gcc編譯器

由于飛控固件運行在單片機上(STM32系列)，需要用到Gcc編譯器，下載地址為：Https://firmware.ardupilot.org./Tools/STM32-tools/gcc-arm-none-eabi-6-2017-update-win32-sha2.exe，編譯器安裝完畢后，應添加路徑到環境變量。

(3)Git系統

Git是一種分布式版本控制系統，應用此系統，可以使若干個不同的遠端代碼倉庫進行交互，安裝完畢后，需要輸入命令 “git config-global core.autocrlf false”進行配置[6]。

2.3 飛控固件的克隆及版本的切換

下載開源APM的飛控固件前，需要先注冊一個Github賬號，同時還需要下載安裝Github Desktop，以實現遠端代碼復制，然后進行編輯、編譯、Debug等工作。編輯軟件選取種類較多，建議采用Vscode，具體步驟如下。

①登錄GitHub，進入注冊頁面(見圖4)。

圖4 GitHub登錄注冊界面

②點擊SignUp按提示要求注冊，注冊成功后界面見圖5。

圖5 GitHub注冊成功界面

③在搜索框輸入“Ardupilot”，界面見圖6。

圖6 APM文件夾界面

④右鍵選擇“open with Github Desktop”，根據網速不同，ardupilot全部分支會自動下載到本地電腦的D盤，下載成功后，然后生成一個名為ardupilot的文件夾。

⑤下載到D盤的ardupilot文件處于主分支狀態(master分支)，此時，不可以用主分支文件編譯飛控固件，必須切換到穩定版本才能進行編譯。然后進入Git終端，打開Git Bash，依此輸入命令(見圖7，圖8)[7-8]。

圖7 APM系列固件版本

圖8 更新CRDC-2021A240505子模塊

2.4 飛控固件的編譯及燒寫

切換完分支后，應對APM文件進行編譯，以生成能在單片機上運行的文件(后綴為.apj)，編譯飛控文件的編譯器為 Gcc，飛控硬件選擇FMUV3框架(目前開源飛控硬件對應的框架有FMUV3框架和FMUV5框架，V3框架對應STM32的427系列單片機，V5框架對應STM32的7系列單片機)，運行終端Cygwin64 Terminal，依此輸入以下命令。

①cd d://進入APM文件所在盤符d盤。

②cd ardupilot//進入ardupilot文件。

③./waf list_boards//查看所有支持版本，以確認文件包含飛控類型。

④./waf configure-board fmuv3//選擇飛控板為FMUV3類型。

⑤./waf copter//編譯文件為多旋翼固件。

編譯成功后，本地電腦的Dardupilotuildfmuv3inardupilot.apj文件即為飛控寫入文件(見圖9)。

圖9 飛控固件編譯

安裝地面站軟件MissionPlanner，飛控連接到電腦，依此選擇初始設置安裝固件加載自定義固件，選擇Dardupilotuildfmuv3inarducopter.apj.文件，按提示完成固件燒寫(見圖10)。

圖10 飛控固件位置

3 測繪無人機校準

固件寫入飛控，無人機各部件連接完畢后，方可進行校準工作。主要有加速度校準、磁羅盤校準、遙控器校準、電流計校準、電調油門校準[9-12]。

3.1 加速度校準

進入MissionPlanner頁面，依此選擇“始設置→必要硬件→加速度計校準”，進入加速度計校準，然后分別按提示進行“平放、飛控向左、飛控向右、飛控向下、飛控向上”等操作，俗稱無人機業界的“加速度舞蹈”，校準成功后，提示Successful，即為校準成功，然后重啟(見圖11)。

圖11 加速度校準界面

3.2 磁羅盤校準

無人機羅盤有內置羅盤和外置羅盤之分，內置羅盤是飛控內的羅盤，外置羅盤是外接GPS的羅盤，為防止各種外界因素對磁羅盤的干擾(震動、溫度等因素)，應盡量選用GPS外置羅盤。進入MissionPlanner頁面，依此選擇初始設置→必要硬件→指南針選項，進入磁羅盤校準，根據校準進度條提示進行旋轉，完成磁羅盤校準，校準成功后，頁面會有校準誤差提示(見圖12)。

圖12 羅盤校準界面

3.3 遙控器校準

進入MissionPlanner頁面，依此選擇初始設置→必要硬件→遙控器校準選項，進入遙控器校準，然后分別對roll(橫滾)、pitch(俯仰)、yaw(旋轉)、throttle(油門)各搖桿及遙控器進行旋轉，按提示完成遙控器校準(見圖13)。

圖13 遙控器校準界面

3.4 電調油門校準

步驟為：遙控開機油門打滿→飛機上電→飛機斷電重新上電→開啟飛控switch開關→遙控油門撥最低→飛機斷電→重新上電→完成校準。

4 測繪無人機的控制

開源無人機既可以使用開源地面站進行操控，也可以單獨使用遙控器進行操控[13-16]。將飛控與MP地面站進行連接，點擊“飛行計劃”圖標，進入“飛行計劃”窗口頁面，通過該窗口的“UTM” “地圖”等按鈕設置時間和地圖模式，從而實現對時間、空間基準的設置。在該窗口右鍵單擊鼠標，彈出功能窗口，根據窗口提示內容插入航點，編輯航線。選擇自動航點工具，依據測繪任務需求在彈出窗口，可以實現相機類型選擇、飛行高度、航線角度、航向重疊率、起始點位置、相機參數等功能的設置。

5 實測飛行

5.1 飛行前注意事項

根據《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規定》，最大起飛質量≥250g的民用無人機必須在“中國民用航空局民用無人機實名登記系統”上申請賬戶，并將系統給定的登記標記粘貼在無人機上，由于無人機測繪作業的敏感性，在飛行作業中，應嚴格遵守《中華人民共和國測繪成果管理規定》《中華人民共和國測繪法》《中華人民共和國保守國家秘密法》等相關法律法規。

5.2 實測飛行

經多次實測飛行，采用本方法制造的4軸無人機在荷載10 kN、1塊5 200 mA動力鋰電池情況下，留空時間為20 min；如果并聯1塊備用電池，10 kN荷載下留空時間能達到30 min。可滿足鐵路測繪行業基本使用要求。

6 結語

實踐證明，基于APM的開源自制無人機能滿足在鐵路測繪現場的使用，同時也能節約一定的生產成本。另外，無人機測繪在鐵路測繪行業的推廣使用應結合本行業的特點，如鐵路既有線測量若采用無人機技術，會對鐵路運營線路的安全產生一定的威脅，未來鐵路測繪無人機發展應結合智能硬件的使用，走出一條適合本行業發展的道路。