“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”。無人機也像那堂前燕，從以前爲軍事所專屬，負責偵查和戰鬥，飛入民用領域，在航拍、植保、快遞、救災、巡檢、拍攝等行業大顯身手，無人機+的應用遍地開花，成爲智能時代機器人領域的尖兵。
無人機，顧名思義，即不載人的飛行器。目前飛行器主要分爲3類：固定翼（fixed wing）；直升機（helicopter）；多旋翼（multi-rotor）。最近風頭最熱、也最有前景的，當屬多旋翼大家族的主力軍——四旋翼無人機（quadcopter），大大小小的無人機廠商如雨後春筍般冒出來。大的有DJI、零度、億航、極飛等，小的就數不勝數了，最近京東也衆籌了一款PowerEgg無人機，無人機行業的繁榮可見一斑。各飛行器的特點簡介如下：
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飛行器分類 |
固定翼 |
直升機 |
多旋翼 |
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穩定性 |
自穩定 |
不穩定，完整驅動 |
不穩定，欠驅動 |
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續航時間 |
長 |
中 |
短 |
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飛行效率 |
高 |
中 |
低 |
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載荷 |
大 |
中 |
小 |
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其他 |
起飛助跑，降落滑行 |
可垂直起降，機械結構複雜 |
可垂直起降，機械結構簡單 |
本系列博客的重點也是四旋翼無人機。四旋翼含4個螺旋槳，即4個電機，4個自由度，而三維空間的位姿有6個自由度，4<6，因而稱欠驅動。受控的自由度可以從遙控器的輸入看出端倪：左邊的搖桿控制上下的高度和機頭的朝向（Yaw），右邊的搖桿控制飛機的前後和左右，共4個自由度。而欠驅動的2個自由度爲飛機的俯仰（Pitch）和橫滾（Roll），和飛機的前後、左右是耦合的，因此也可以說右邊的搖桿控制飛機的俯仰和橫滾。無人機在前後左右運動時機身會產生一定傾斜的原因即在於此。
上表大致總結了各飛行器的特點，那麼問題來了，多旋翼各項指標落後仍受大衆青睞到底爲哪般？讓我們走近科學，探祕多旋翼。由於多旋翼系統不穩定、欠驅動，需要自動控制器來控制飛行器的姿態，而要取得姿態，就不得不提慣性導航系統（Inertial Navigation System，以下簡稱INS）。INS的主要原理是利用加速度計和陀螺儀，對時間積分獲得速度，進而獲得飛行器的位置和姿態。INS最初用於導彈、火箭等軍事領域，十幾公斤的大鐵疙瘩對於按噸計的巨型鐵疙瘩來說那都不算事兒。但要放到多旋翼頭上，這可是泰山壓頂，愚公有心也無力，多旋翼的研究一度停滯。
到了上世紀90年代，隨着微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，以下簡稱MEMS）的發展，幾克重的mm級INS被開發出來，多旋翼的自動控制器又重新擡頭。但是條件還不夠，傳感器的噪聲、多傳感器的數據融合、多旋翼的非線性系統結構、飛行控制算法等問題仍像一座座大山，等待探路者去征服。到了2005年，穩定靠譜的多旋翼自動控制器才正式面世。四旋翼作爲多旋翼無人機中最簡潔的一種，開始受到廣泛關注和研究。由於其結構簡單、控制靈活、成本較低，也逐漸進入了商業領域和大衆視野。
之後的歷史，諸君都是見證者。2009年，《三傻大鬧寶萊塢》中Geek的小四軸，把新鮮感帶給了大衆。2010年，法國Parrot公司發佈AR.Drone——世界首款流行的四旋翼，上能飛天拍大地，下可懸停擺造型，成爲人們的天空之眼。此時的四旋翼，還是小衆人羣的玩具。直到2013年，DJI的Phantom與GoPro結合，讓四旋翼從一個玩具變身成了航拍精靈。先手優勢一發不可收，至今DJI已成爲世界上首屈一指的無人機廠商，成爲中國智造的驕傲，也成功幫汪峯求婚，新娘頭條雙豐收！除了DJI，國際的3D Robotics、AscTec，國內的零度、億航也加入戰局，羣雄爭霸，硝煙四起。
一個Interesting&Exciting的無人機時代正在拉開序幕，讓我們拭目以待。
APM飛控學習之路：2 四旋翼的工作原理與系統組成
2016年10月31日 20:48:47
閱讀數：8807
“一葉障目，不見泰山”。在研究四旋翼飛行器之前，有必要從整體介紹其工作原理、主要部件、技術名詞等基礎知識。不然就像羊入虎口，陷入一大堆不同層次的資料，難覓出口。接下我就拋磚引玉，儘自己所能，介紹四旋翼的工作原理和主要部件。餘雖不敏，然餘誠也。
工作原理
四旋翼飛行器，通過4個對稱佈置的電機，改變螺旋槳的轉速，實現升力的變化，進而控制飛行器的姿態和位置。姿態具體指3個歐拉角：橫滾（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）。位置具體指1個高度油門（Throttle）和2個位置（X和Y）。歐拉角是一種描述物體姿態的常見方式，廣泛應用於慣性導航、機器人等領域。爲了方便大家理解，在網上找了3個歐拉角的動圖，分別爲Roll、Pitch、Yaw，讓我們致敬製作者3秒鐘。
橫滾：Roll，控制四旋翼左右運動。
俯仰：Pitch，控制四旋翼前後運動。
偏航：Yaw，控制四旋翼的朝向。
無人機的姿態和位置共有6個自由度，每個自由度的控制如下圖所示。4個電機2個正轉（電機2和4），2個反轉（電機1和3），對稱佈置。電機正反轉配合正反槳，可使螺旋槳的風都往下刮以平衡重力，同時抵消因槳葉旋轉帶來的空氣阻力扭矩。由於輸入只有4個自由度，因此多出的2個自由度是不完全受控的，其中俯仰運動和前後運動耦合，滾轉運動和側向運動耦合。
座標系：標準右手系。規定X軸正方向爲前向。螺旋槳的箭頭向上↑：電機轉速上升。螺旋槳的箭頭向下↓：電機轉速下降。
(a) 垂直運動（Throttle）：4個電機均加大馬力，螺旋槳產生的升力大於重力，飛機便垂直上升。當升力與重力平衡時，飛機便懸停。懸停是考驗算法的重要一環，靠的是PID不斷反饋，調整轉速。
(b) 俯仰運動（Pitch）：電機1加大馬力，電機3減小馬力，二者的變化量相同。1處升力變大，3處升力減小，重力仍保持平衡，但對Y軸產生一個力矩，機身繞Y軸旋轉，實現俯仰。
(c) 滾轉運動（Roll）：與 (b) 原理相同，只是Y軸換成了X軸。
(d) 偏航運動（Yaw）：電機1、3加大馬力，電機2、4減小馬力，二者的變化量相同。重力和繞X、Y軸的扭矩仍保持平衡，但要注意的是，根據作用力和反作用力原理，由於2個正轉的速度>2個反轉的速度，空氣阻力產生的扭矩不平衡了，使得機身繞Z軸旋轉，實現偏航。
(e) 前後運動：與 (b) 耦合，機身繞Y軸旋轉一定角度後，使得升力沿水平方向有了分量，實現前後運動。
(f) 側向運動：與 (c) 耦合，原理與 (e) 相同。
如果有朋友接觸過麥克納姆輪，也稱“全向輪”，那就更容易理解四旋翼的工作原理了。麥克納姆輪通過4個對稱佈置的電機和輪盤，可實現車身水平任意方向的移動和原地旋轉，無比靈活。
主要部件
以S500爲例，S500是一架入門級的四旋翼飛機，這裏的500指的是軸距（對角2個電機之間的距離），單位 ：mm。對於開源愛好者而言，如果想一站式玩四旋翼，在某寶上選購一架S500是個不錯的選擇。下面我就從上表出發，詳細介紹四旋翼的主要部件和技術名詞。
四旋翼本體
四旋翼分2種模式，1種是+模式：飛行方向（機頭）與旋翼重合；1種是X模式：飛行方向（機頭）平分旋翼。
+模式：直觀，簡單，驅動弱，調參容易。
X模式：複雜，穩定，驅動好，調參麻煩。
對於四旋翼，穩定和驅動是第一位的，調參可以站在巨人的肩膀上，因此一般採用X模式。
飛行控制器
飛行控制器簡稱飛控，是無人機的大腦。目前主要分開源和閉源兩派，開源飛控的鼻祖來自Arduino，著名的WMC飛控和APM飛控都是Arduino飛控的直接衍生品，APM全稱ArduPilotMega，其中的Ardu代表的就是Arduino。APM飛控是目前成熟度最高的開源飛控，但由於容量和計算量有限，在不久的將來一定會被更強大的PIX4、PIXHAWK所超越，成爲一個時代的縮影。還有一些較爲初級的飛控，如KK、QQ、玉兔等，在這就不贅述了。閉源飛控主要由商業公司推出，如DJI的工業級飛控A2、A3，入門級飛控Naza系列，還有零度的S4、X4和雙子星GEMINI。值得一提是其中的雙子星，是國內首個雙餘度安全飛行控制系統。隨着安全性的重視和提高，冗餘度設計也將成爲無人機的標配。
螺旋槳
4個螺旋槳，2正槳（順時針轉）2反槳（逆時針轉），正反槳的風都向下吹，正反的目的主要是抵消螺旋槳的自旋。安裝的時候，無論正反槳，有字的一面均向上。槳型中1045這4位數字，前2位10代表槳的直徑（單位：英寸inch），後2位45代表槳的角度（單位：度°）。
電機
4個無刷電機，2正轉2反轉。2212這4位數字，前2位22代表電機轉子直徑，後2位12代表電機轉子高度，單位：毫米mm，注意均指電機轉子而非外殼。如果大家留心的話，電機外殼上一般會並註明這4位數字，除此之外，還會看到一個KV值，代表外加1V電壓時電機每分鐘空轉轉速。如“KV:900”代表外加1V電壓時，電機空轉時每分鐘轉900圈。常見的電機品牌有新西達（XXD）、朗宇（SunnySky）等，並且很多外殼上會有一串神祕字符：MADE IN CHINA。
電調
說完電機說電調，電調和電機配套使用，是飛控和電機之間的橋樑。電調全稱電子調速器（Electronic Speed Control），負責將飛控的控制信號（PWM波）轉變爲電流的大小，進而控制電機轉速。除了明面上的轉換功能，還能承載電機所需的大電流，以及將11.1V轉爲5V供飛控和遙控模塊使用（BEC輸出）。電調的主要參數是電流輸出能力，單位A，如30A代表電調能提供的最大電流爲30A。常見的電調品牌有新西達（XXD）、中特威（ZTW）、好盈（HobbyWing）等。
電池
一般爲鋰電池，因爲同等電池容量鋰電池最輕。大家可以看到有3個參數：3200mAh 11.1V 30c。和手機電池一樣，3200mAh代表以3200mA電流放電，可持續1小時。11.1V代表電壓，一般由3節標準鋰電池組成（3.7V×3=11.1V），相應標識爲3S。30c代表放電能力，在航模中是個重要參數，意味着可以3200mA×30的電流強度放電。說完了放電，還有充電，一般爲2c充電，即充電電流可爲3200mA×2。由於航模鋰電池採用多節標準鋰電池組成，而各節標準鋰電池之間存在充放電性能差異，因此充電器一般採用平衡充，避免某節電池過充。
遙控器
主要分美國手和日門手，美國手的油門在左邊，日本手的油門在右邊。在四旋翼的控制中，一般採用美國手。怎麼判斷油門呢？很簡單，遙控器左右2個搖桿中，推上去不回彈的是油門。也很好理解，油門一般穩定在一個位置就好了，回彈的話飛手會流淚。遙控器中也有1個神祕數字，6代表6通道，即遙控器可控的動作路數。因爲四旋翼有4個自由度，所以遙控器至少需要4通道，剩餘的通道用於控制飛行模式等。
至此四旋翼的主要部件和技術名詞介紹完畢，還有一些可選部件，如數傳、OSD、雲臺、相機、圖傳等，待大家入門後即可自行挖掘。最後附上一個Exciting的TED視頻，震撼你的眼球。拉菲羅·安德烈:四軸飛行器靈活的運動性。
APM飛控學習之路：3 APM系統介紹與開發環境搭建
置頂2016年11月03日 11:08:55
閱讀數：31859
“工欲善其事，必先利其器”。在進行無人機飛控開發時，選擇一個合適的軟硬件平臺以及IDE是十分重要的。目前，APM飛控成熟度高，開發工具齊全，社區建設完善，開發者文檔豐富，適合開源選手入門和二次開發。因此，本系列博客以APM飛控作爲切入點，在Windows環境下介紹其代碼結構和開發應用。
APM系統介紹
APM全稱ArduPilotMega，Ardu源自Arduino，Pilot意指飛行，Mega代表主芯片爲ATMEGA2560（Atmel公司的8位AVR單片機）。是的，沒有看錯，一個簡單8位單片機竟完成了如此複雜的飛控任務！ 51單片機表示哭暈在廁所，同爲8位出身，命運截然不同。筆者大概是2011年接觸的單片機，當時也同大多數初學者一樣，從經典的51單片機入門，一個個模塊、寄存器的學習，曲線雖說不上陡峭，但至少不那麼友好。反觀Arduino，近3年在國內迅速崛起，除了Geek文化和開源文化的普及，一個很關鍵的原因在於Arduino讓不懂硬件電路的普通人（甚至小學生）也能輕鬆上手硬件了。沒有了煩人的寄存器，沒有了紛繁的頭文件，一個setup()和一個loop()，再加一個自帶教程的簡潔IDE，Arduino名副其實——源自意大利的男姓用名，意爲“強壯的朋友”。世界如此美好，我想和Arduino做朋友。
APM內置六軸MEMS傳感器MPU6000，氣壓計MS-5611，三軸磁力計HMC5883，一般還會配置GPS模塊，以便更精確的慣性導航。其中，MPU6000整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計，積分可得速度和位姿。MS-5611通過測量氣壓得到高度，輔助GPS定位。HMC5883通過測量地磁場得到方位，輔助無人機定向。飛控採集並融合多種傳感器的數據，計算並校正無人機的位姿。給APM一張正面裸板特寫！
APM與PIXHAWK的關係
說到APM，就不得不提它的進化版：PX4和PIXHAWK，來自蘇黎世聯邦理工大學。“PX4是一個軟硬件開源項目（遵守BSD協議），目的在於爲學術、愛好和工業團體提供一款低成本、高性能的高端自駕儀。PX4FMU自駕儀模塊運行高效的實時操作系統（RTOS），Nuttx提供可移植操作系統接口（POSIX）類型的環境。由3DR聯合APM小組與PX4小組於2014年推出的PIXHAWK飛控是PX4飛控的升級版本，擁有PX4和APM（ArduPilot）兩套固件和相應的地面站軟件，也是目前全世界飛控產品中硬件規格最高的產品。”
好了說人話，目前主流就2種：APM和PIXHAWK。有時指硬件，有時指軟件（固件），爲了明確，在此做個區分。硬件分2種：APM和PIXHAWK。APM的版本有2.5，2.6和2.8，PIXHAWK的版本有v1和v2。軟件也分2種：APM和PX4。軟件版本就多了去了，詳見github。APM硬件由於存儲空間有限，最高支持到3.2.1的APM軟件。PIXHAWK硬件是STM32F4，存儲空間大，對APM軟件（3.2.1之後的版本也支持）和PX4都支持。
APM和PIXHAWK都開源，不過二者遵守的開源協議不同。APM多用於DIY和小型產品，某寶上大量的無人機就採用APM，成本低。公司商用一般採用PIXHAWK。目前很多PIXHAWK裏跑的還是APM固件，個人認爲有幾大原因：1. APM固件出來的更早，使用人羣習慣的延續；2. APM固件成熟度更高、資料更全。3. APM固件走開源路線更徹底，遵守GPL V3協議，PX4更傾向商業和實驗用途，遵守BSD協議。目前APM小組已和PX4小組分道揚鑣，詳見新聞：ArduPilot脫離Dronecode真相。
APM固件下載
剛提到APM硬件的最高版本爲2.8，現在說說APM固件（源碼）的版本。既然是開源項目，那麼在github上肯定有倉庫。曾經的APM源碼存於code.google.com，後來github席捲全球，成爲廣泛接受的代碼倉庫，於是谷歌把自己的倉庫關了（反正國內也上不去:-(）。github上的源頭在此：https://github.com/ArduPilot/ardupilot。其中的ArduCopter支持多旋翼、直升機等，四旋翼源碼即在其中，但是別急着下載，先點擊release看看源碼版本。可以看到帶Copter的最新版本是“Copter-3.4.0”，帶ArduCopter的最新版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，很多朋友直接參照網上的《通過Arduino給APM編譯下載最新固件》用git克隆代碼到本地，發現無法使用，問題就在於git獲取的是最新版，而APM支持的最高版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，從命名也可以發現，該版本固件同時支持APM和PX4。
獲取ArduCopter-3.2.1版本的源碼有2種方式：I. 在github頁面點擊release，往下翻幾頁，找到“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”下載即可。II. 喜歡git的朋友在克隆最新代碼後，也可以回退到3.2.1的版本，與第一種方法獲得的源碼無異。
-
git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot.git -
cd ardupilot/ -
git branch -a -
git checkout -b arducopter-3.2.1 origin/ArduCopter-3.2.1
使用方法解壓之後就可以看到源碼啦，結構如下。其中，APMrover2支持地面車輛，ArduPlane支持固定翼，ArduCopter支持多旋翼和直升機。對於四旋翼的開發，就對應ArduCopter文件夾。值得一提的是，打開ArduCopter文件夾後，可以看到一大波.pde文件，.pde爲Arduino文件的舊版後綴，新版的爲.ino（Arduino的後3個字母），可以簡單類比成.cpp文件。熟悉C++的朋友可能會想去找main文件，這回改頭換面了，主文件叫ArduCopter.pde。
APM開發環境
巧婦難爲無米之炊”，現在米有了，用什麼工具做飯呢。先把火備好，即編譯的工具鏈和驅動：MHV_AVR_Tools_20121007.exe（AVR單片機編譯和下載程序用）和MissionPlanner-latest.msi（飛控地面站，含APM的USB接口驅動）。接下來就是用什麼竈臺做飯了，以Windows平臺爲例，竈臺根據方便程度有2種：I. 土竈：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows（爲ArdupPilot定製的Arduino IDE）。II. 電磁爐：Visual Studio配合Visual Micro插件（Arduino for Visual Studio插件）。二者本質沒有區別，可以看到都是調用gcc工具鏈，Visual Studio只是通過Visual Micro在上層封裝了操作接口，便於程序員查看和編寫代碼。強烈建議使用Visual Studio！！！
環境I（輕量）. Arduino IDE
先介紹Arduino派的IDE：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows，此IDE不同於普通的Arduino IDE，而是爲ArdupPilot定製的。解壓之後，打開“arduino.exe”，一張白板撲面而來。唯一和飛控有關的就在菜單欄上，相比通用ArduinoIDE多了“ArduPilot”一項。工具欄的“√”是編譯，“→”是下載。
點擊“文件->參數設置”，可設置程序庫的位置，即APM源碼位置，注意不要勾選“啓動時檢查更新”，因爲本IDE專爲ArduPilot定製。其他選項可根據個人喜好設置。
設置完成後退出再重開，以保證程序庫位置生效。點擊“文件->程序庫->ArduCopter”，源代碼一覽無餘。之後配置APM固件，主芯片：“工具->板卡->Arduino Mega 2560 or Mega ADK”，串口：“工具->串口->相應USB串口”（確保驅動已安裝），編程器：“工具->編程器->AVRISP mkll”（默認），APM硬件型號：“ArduPilot->HALBoard->ArduPilot Mega 2.x”。
至此，Arduino IDE的完畢，可以點擊編譯了。等待3分鐘左右，編譯完畢，生成一個hex文件用於下載到APM板。
切記：不要下載！不要下載！不要下載！下載會變磚！
環境II（推薦）. Visual Studio&Visual Micro
Arduino IDE編譯APM的代碼還可以，但要是用來瀏覽和編寫代碼，那就是千絲萬縷扭不清了，所以ArduinoIDE的設置裏也機智地留下一條後路：“□使用外部編輯器”。
Visual Studio（以下簡稱VS）作爲宇宙最強IDE，怎麼能不支持下Arduino，感謝微軟救民於水火。以VS2012爲例，點擊“工具->擴展和更新->聯機”，搜索“Visual Micro”，下載安裝即可。順便推薦下Visual Assist，VS下最好的代碼補全工具，以前寫1行代碼的功夫，現在可以寫3行~
安裝好之後，VS的菜單欄多了一些振奮人心的東西。“VMICRO”中可設置Arduino的選項，點擊“VMICOR->Visual Micro Explorer”，如下圖所示。對比Arduino IDE可發現，編譯、下載、COM口應有盡有，還可適配不同的Arduino 版本。
點擊“Configure”進行配置，選擇Arduino版本：1.0，配置Arduino目錄，筆者的是：D:\Fly\ArduPilot-Arduino-1.0.3-windows，即ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows解壓後的文件夾。注意此插件的名字是“Arduino IDE for Visual Studio”，並不是專爲Ardupilot/APM定製，因此還需適配apm硬件信息（點擊藍字鏈接下載，解壓後爲一名爲apm的文件夾，內僅含boards.txt）。將該apm文件夾放入D:\Fly\ArduPilot-Arduino-1.0.3-windows\hardware中。配置完成之後，可在“Installed”選項卡中查看支持的硬件類型，如所需的“Arduino Mega 2560 HAL (Apm 2)”，插上APM後在COM口選擇對應的串口號。此外，在“Examles”選項卡中可查看Arduino和ArduCopter的例程。
重啓VS，點擊“文件->打開->Arduino Project”，選擇ArduCopter文件夾中的ArduCopter.pde打開，即可在“解決方案資源管理器”中看到APM的源碼結構。解釋一下，ArduCopter.pde相當於平時常見的Main.cpp，在ArduCopter.pde的最後一行是真正的main函數。
AP_HAL_MAIN();
除此之外，有一點需要注意，在“VMICRO”中，“Debugger”取消勾選“Automatic Debug（Release/Debug）”，否則會編譯失敗。因爲APM2.8不支持在線Debug，同時對於“多線程”程序，Debug本身意義不大，一般採用串口print進行調試以便觀察程序流程。對於普通Arduino板（如nano）可以勾選，下載後會自動進入調試狀態。
至此，Visual Studio&Visual Micro的配置完畢，又可以愉快地編譯了。同樣等待大概3分鐘左右，可以看到編譯完成，生成一個hex文件用於下載到APM板。對於編譯，第1次會較慢，修改代碼再次編譯就很快了。
切記：不要下載！不要下載！不要下載！下載會變磚！
在此給出筆者用VS2012編譯的工程：APM3.2.1固件-VS2012工程，打開ArduCopter文件夾中的ArduCopter.sln即可使用。如果你好奇心太重點了下載，也沒關係，筆者會在下一篇博客讓板磚起死回生:)
APM資料說明
有關APM的資料，首推ArduPilot官網：http://ardupilot.org/ardupilot/。如果是開發四旋翼，左側的“Copter”和“Developers”是你經常要去逛的。裏面詳細介紹了APM的方方面面，值得反覆咀嚼。網上的APM資料，很多就是翻譯自ArduPilot官網，但是良莠不齊。不要懼怕英文而選擇逃避，蔡康永有一段很有名的話，“15歲覺得游泳難，放棄游泳，到18歲遇到一個你喜歡的人約你去游泳，你只好說"我不會耶”。18歲覺得英文難，放棄英文，28歲出現一個很棒但要會英文的工作，你只好說“我不會耶”。人生前期越嫌麻煩，越懶得學，後來就越可能錯過讓你動心的人和事，錯過新風景。”萬事開頭難，但也不要放大開頭的困難，跨過去就好了。
國內的資料，主要推薦“模友之吧”裏“泡泡老師”的視頻教程，教你一步步上手APM2.8：[泡泡老師教程] 新手課堂：APM2.8的使用方法。
個人收集的2個資料：新編APM-2.8.0中文入門手冊和APM2.8接口介紹。
“月盈則虧，水滿則溢”。當博主編譯完成，以爲離成功更近一步準備下載的時候，殊不知陷阱也早已準備好，等待我的踏入。連上USB線，下載，timeout...，timeout...，timeout...，留下博主一臉懵逼，和一塊已然變磚的APM板。遂作此文，爲廣大APM開發者避開下載的坑。
下載環境：APM2.8，固件版本3.2.1，通過USB下載。
原因定位
事出突然，案發現場只留下了一張截圖，代表着下載失敗。
從這張截圖開始分析：avrdude是AVR系列單片機的下載模塊，負責將hex文件寫入APM板的ROM和EEPROM。寫入文件之後，avrdude向APM板Send數據，估計用於校驗，卻等不到迴應：“programmer is not responding”，只能向電腦返回：timeout，順便不忘問候博主：“avrdude done. Thank you.”
由此看來下載完程序之後，APM板直接變磚，已無法和PC端取得有效通信。博主經過多種嘗試，如重新編譯並下載、通過地面站（Mission Planner）刷固件、下載老版本固件，皆因timeout或無法連接而告終。痛定思痛，想到安卓手機刷機時也可能變磚，變磚後還能刷回來，靠的是什麼？Bootloader！難道是因爲程序過大，把APM板中的Bootloader，也就是引導程序給覆蓋了？！
回過頭來看編譯結果：編譯之後，程序大小爲256258bytes，也就是250KB的樣子，佔用了總容量的99%！很可能把Bootloader給佔用了。就好比把一個很大的文件往電腦的C盤塞，把C盤塞爆了，順便把系統也弄崩了。果不其然，查閱資料可知，APM 程序存儲容量爲256KB，其中8KB被Bootloader佔用。如果程序大於248KB，當程序燒寫進APM中時，會破壞APM的Bootloader。Bootloader破壞之後的現象就是：APM板上電後只有電源燈亮，且無法連接地面站。正是如此！
刷寫Bootloader
雖然Bootloader被博主無意中破壞，但天無絕人之路，從哪裏弄壞，就從哪裏修好。當自己買電子元器件和電路板，根據開源的APM硬件焊接APM板時，也需要給APM板重新燒寫Bootloader。
硬件準備
AVR單片機的USBASP或USBISP下載器×1。
軟件準備
1. 下載器配套軟件，推薦progisp1.72。
2. AVR的USB自編程軟件：Flip。
3. 32u2的驅動程序。
4. 三個hex文件：Atmega2560的bootloader文件、32u2的bootloader文件和32u2的ppm程序文件。
燒寫過程概述：先給Atmega2560燒寫bootloader，然後給Atmega32u2燒寫bootloader，最後給32u2寫入PPM解碼通訊程序。
燒寫的視頻教程（含驅動和hex文件下載）：[泡泡老師教程] 新手課堂，如何給修復或空板APM燒寫 Bootloader
燒寫的文字教程：燒寫APM板的Bootloader
按照視頻教程操作即可，可以不用轉接線，直接用幾根杜邦線連接，注意線序。
程序裁剪與下載
既然程序容量有限，就需要對程序進行裁剪，比如拿剪刀把APM板剪掉一角。好了正經一點，所謂裁剪，最簡單的就是將部分程序註釋或刪除，使編譯之後的程序容量變小。要想裁剪APM，首先需要對飛控程序的結構有個大致的瞭解，才能在註釋或刪除代碼的同時保證飛控的穩定性。先看看官網是怎麼介紹飛控程序的：“The ArduPilot code base is quite large (about 700k lines for thecore ardupilot git tree) and can be quite intimidating to a new user.”，翻譯過來就是飛控代碼太太太多了，足足70萬行估計你這小白搞不定。
“他強任他強，清風撫山崗。他橫由他橫，明月照大江。”雖然飛控代碼多，但是程序員有兩板斧子，一看代碼結構，二看主函數。
根據上篇博文所述，使用VS2012配合VM插件查看APM3.2.1工程代碼，其代碼主要由多個pde文件組成，可簡單理解爲cpp文件。根據pde文件的命名，博主將代碼分爲6類：（1）主函數ArduCopter；（2）各種飛行模式，佔了大部分程序，如control_acro、control_althold、control_auto等；（3）系統初始化system；（4）Mavlink通信GCS_Mavlink；（5）用戶程序UserCode；（6）其他雜項。既然飛行模式的程序最多，博主就準備拿它開刀。
要裁剪飛行模式，就得看主函數是如何調用各飛行模式的。看大型代碼一定要帶着目的去看，既然通過遙控可以切換飛行模式，那麼判斷處於飛行模式的代碼一定是在某個循環中。這樣一來就好辦了，從ArduCopter.pde的fast_loop()函數入手，可以看到其代碼不多，列出如下。
-
static void fast_loop() -
{ -
// IMU DCM Algorithm -
// -------------------- -
read_AHRS(); -
// run low level rate controllers that only require IMU data -
attitude_control.rate_controller_run(); -
#if FRAME_CONFIG == HELI_FRAME -
update_heli_control_dynamics(); -
#endif //HELI_FRAME -
// write out the servo PWM values -
// ------------------------------ -
set_servos_4(); -
// Inertial Nav -
// -------------------- -
read_inertia(); -
// run the attitude controllers -
update_flight_mode(); -
// optical flow -
// -------------------- -
#if OPTFLOW == ENABLED -
if(g.optflow_enabled) { -
update_optical_flow(); -
} -
#endif // OPTFLOW == ENABLED -
}
細心的朋友可能注意到了，顧名思義，update_flight_mode()就是更新飛行模式的函數。右鍵轉到定義或按快捷鍵F12，可查看update_flight_mode()中是一串熟悉的switch-case語句，根據不同的case切換不同的飛行模式。以常見的自穩模式stabilize爲例，可一直追蹤下去，如高度控制，電機控制等。醉翁之意不在酒，在乎“飛行模式”也。
目前已瞭解飛行模式如何調用，那麼裁剪也就很自然了——註釋掉暫時不同的飛行模式。博主將APM所支持的飛行模式列舉如下，用的最多的當屬自穩STABILIZE和懸停LOITER，因此可將其他的一些飛行模式註釋掉。博主所用S500無人機的遙控器爲6通道，開關SWC撥到上爲自穩模式，撥到中爲懸停模式，因此博主在代碼中只保留了自穩STABILIZE、定高ALT_HOLD、懸停LOITER和降落LAND共4種模式。
將飛行模式裁剪後，重新編譯代碼，驚喜出現了，程序容量從99%降到了89%。現在自信地下載代碼，成功！快給博主點個贊~
溫馨提示：下載源碼不會改變APM中傳感器的參數，如加速度計、羅盤等，其參數在APM板的EEPROM中，通過地面站的一系列校準步驟寫入。有關地面站的使用，詳見新編APM-2.8.0中文入門手冊。
APM飛控學習之路：5 串口概述與收發調試
2016年11月23日 20:11:23
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“雲中誰寄錦書來，雁字回時，月滿西樓”。當無人機在空中飛翔時，從APM飛控到飛手之間有幾條看不見的“風箏線”——（1）2.4GHz的遙控；（2）433/915MHz的數傳；（3）5.8GHz的圖傳；（4）osd（on-screen display）。其中遙控是大家最爲熟知的，用於控制飛行和切換模式。數傳說白了是一個披着射頻的皮的無線串口，波特率57600，連接地面站可實時觀測飛行數據和在線調參。圖傳是FPV（First Person View）必備，傳輸視頻信號用於航拍。osd是錦上添花的部件，將飛行數據疊加到視頻信號上一起傳回地面接收機。
遙控、圖傳和osd都是很成熟的產品，對於開源用戶來說定製性不強，而數傳可以傳回用戶感興趣的任何數據以及在線調參，實爲居家必備之良品。如果選購與APM適配的3DR數傳，無需任何修改，插上APM即可在地面站（Mission Planner）監測無人機的飛行數據。從功能上看，數傳與下載程序兼具串口功能的USB線別無二致，只是形態上有線無線而已。二者的技術基礎是串口以及基於串口的Mavlink通信，本文主要討論如何使用APM中的串口並進行二次開發。
APM2.8串口概述
串口的英文名是UART，全稱Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用異步接收/發送機，只要一對傳輸線（RX-TX）即可實現雙向通信。串口通過USB轉TTL模塊可插在電腦的USB口，在設備管理器上體現爲COM口，是單片機調試和通信的重要接口。
對於APM2.8飛控，其主控芯片爲Atmega2560，有4個串口，分別爲UART0~UART3，在APM中起作用的只是前3個，即UART0、UART1和UART2。UART0接USB，UART1接GPS，UART2接數傳。
APM3.2.1源碼爲適應除APM之外的不同硬件（如PIXHAWK），在硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）提供了通用的外設接口。在HAL.h中可以查看HAL類的聲明，串口方面保留了_uartA~_uartE共5個。
-
class AP_HAL::HAL { -
public: -
HAL(AP_HAL::UARTDriver* _uartA, // console -
AP_HAL::UARTDriver* _uartB, // 1st GPS -
AP_HAL::UARTDriver* _uartC, // telem1 -
AP_HAL::UARTDriver* _uartD, // telem2 -
AP_HAL::UARTDriver* _uartE, // 2nd GPS -
AP_HAL::I2CDriver* _i2c, -
AP_HAL::SPIDeviceManager* _spi, -
AP_HAL::AnalogIn* _analogin, -
AP_HAL::Storage* _storage, -
AP_HAL::UARTDriver* _console, -
AP_HAL::GPIO* _gpio, -
AP_HAL::RCInput* _rcin, -
AP_HAL::RCOutput* _rcout, -
AP_HAL::Scheduler* _scheduler, -
AP_HAL::Util* _util) -
: -
uartA(_uartA), -
uartB(_uartB), -
uartC(_uartC), -
uartD(_uartD), -
uartE(_uartE), -
i2c(_i2c), -
spi(_spi), -
analogin(_analogin), -
storage(_storage), -
console(_console), -
gpio(_gpio), -
rcin(_rcin), -
rcout(_rcout), -
scheduler(_scheduler), -
util(_util) -
{} -
virtual void init(int argc, char * const argv[]) const = 0; -
AP_HAL::UARTDriver* uartA; -
AP_HAL::UARTDriver* uartB; -
AP_HAL::UARTDriver* uartC; -
AP_HAL::UARTDriver* uartD; -
AP_HAL::UARTDriver* uartE; -
AP_HAL::I2CDriver* i2c; -
AP_HAL::SPIDeviceManager* spi; -
AP_HAL::AnalogIn* analogin; -
AP_HAL::Storage* storage; -
AP_HAL::UARTDriver* console; -
AP_HAL::GPIO* gpio; -
AP_HAL::RCInput* rcin; -
AP_HAL::RCOutput* rcout; -
AP_HAL::Scheduler* scheduler; -
AP_HAL::Util* util; -
};
落實到APM2.8飛控板上，從HAL_AVR_APM2_Class.cpp中可以查看串口的對應關係，同樣可以得出只用了前3個，且UART0接USB，UART1接GPS，UART2接數傳。源碼與飛控板，一個底層，一個上層，“默契”地達成了一致。
-
HAL_AVR_APM2::HAL_AVR_APM2() : -
AP_HAL::HAL( -
&avrUart0Driver, /* phys UART0 -> uartA */ -
&avrUart1Driver, /* phys UART1 -> uartB */ -
&avrUart2Driver, /* phys UART2 -> uartC */ -
NULL, /* no uartD */ -
NULL, /* no uartE */ -
&avrI2CDriver, -
&apm2SPIDriver, -
&avrAnalogIn, -
&avrEEPROMStorage, -
&avrUart0Driver, -
&avrGPIO, -
&apm2RCInput, -
&apm2RCOutput, -
&avrScheduler, -
&avrUtil ) -
{}
如果大家仔細觀察上面APM2.8的方框圖，可以發現數傳和USB接口都是走的UART0，這是爲何？因爲APM2.8採用了一種MUX複用的方式，使得當數傳與USB同時接上的時候，USB會把數傳屏蔽，即UART0占主導地位。在此祭出硬件原理圖，TS5A23157是一個模擬開關，3DR代表數傳。當USB和數傳同時接上時，模擬開關會將3DR_RX與RX0接上，3DR_TX與TX0接上，即串口0把數傳給屏蔽了。
串口源碼分析
一個串口要發揮作用，首先需要初始化，即配置波特率、設置起始位等操作。對於STM32單片機（用於PIXHAWK），還有串口中斷等配置。APM中的Arduino單片機比較簡單，只需配置好波特率，其餘保持默認即可。
Arduino程序的初始化，一般在setup()函數中。不出所料，串口的初始化也在其中，見ArduCopter.pde的setup()函數，可以看到初始化函數init_ardupilot()。
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void setup() -
{ -
cliSerial = hal.console; -
// Load the default values of variables listed in var_info[]s -
AP_Param::setup_sketch_defaults(); -
// setup storage layout for copter -
StorageManager::set_layout_copter(); -
init_ardupilot(); -
// initialise the main loop scheduler -
scheduler.init(&scheduler_tasks[0], sizeof(scheduler_tasks)/sizeof(scheduler_tasks[0])); -
}
在Visual Studio+VMICRO的環境下，按F12或鼠標右鍵可轉到init_ardupilot()的定義，在system.pde的init_ardupilot()中摘出與uartA有關的代碼以便分析。
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hal.uartA->begin(map_baudrate(g.serial0_baud), 512, 128);， -
//gcs[0].init(hal.uartA); -
hal.uartA->set_blocking_writes(false);
第1行和第3行很好理解，分別是uartA設置波特率（115200）和非阻塞模式，第2行的gcs[0]容易讓人迷惑。gcs的全稱爲Ground Control Station，即地面工作站。再轉到gcs的定義，可發現其數據類型爲GCS_MAVLINK，由此可斷定該行代碼的作用是綁定Mavlink和uartA，將數據以Mavlink協議與地面站通信。爲單獨測試串口收發，可取消uartA與Mavlink的綁定，即註釋掉gcs所在行的代碼。
串口數據收發
初始化搞定之後，就可以進行簡單的串口收發測試——串口助手發數據給飛控，飛控返回原數據。串口的接收一般有2種方式：查詢或中斷。Arduino中的串口中斷函數爲SerialEvent，是一種軟中斷，博主將Arduino nano板中測試通過的串口中斷代碼移植到APM源碼中，發現並不起作用。原因尚不明確，或許 APM板本身並不支持，也可能是博主移植的地方不合適。期待有心人進行嘗試，歡迎留言討論。
爲了推進測試進程，轉向查詢方式。有2種方式：1.在ArduCopter.pde的fast_loop中查詢；2.在UserCode.pde中添加代碼。如果要使用UserCode.pde，需在ArduCopter.pde添加相應的宏，才能將UserCode.pde加入編譯。爲了方便，博主在fast_loop()中添加串口接收查詢代碼：
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static void fast_loop() -
{ -
// IMU DCM Algorithm -
// -------------------- -
read_AHRS(); -
// run low level rate controllers that only require IMU data -
attitude_control.rate_controller_run(); -
#if FRAME_CONFIG == HELI_FRAME -
update_heli_control_dynamics(); -
#endif //HELI_FRAME -
// write out the servo PWM values -
// ------------------------------ -
set_servos_4(); -
// Inertial Nav -
// -------------------- -
read_inertia(); -
// 串口接收查詢 by--嶽小飛 -
while (hal.uartA->available()) -
{ -
uint8_t data = (uint8_t)hal.uartA->read(); -
hal.uartA->write(data); -
} -
// run the attitude controllers -
update_flight_mode(); -
// optical flow -
// -------------------- -
#if OPTFLOW == ENABLED -
if(g.optflow_enabled) { -
update_optical_flow(); -
} -
#endif // OPTFLOW == ENABLED -
}
打開串口，APM飛控會發出一串提示字符，包括版本信息，如“Init ArduCopter V3.2.1”。博主發送“YueXiaoFei”，飛控原樣返回，測試通過。基於這個簡單的收發測試，大家可自定義數據協議，發送和接收感興趣的飛行數據，也可學習基於串口的Mavlink協議。
PS：無人機系列的第5篇至此結束，系列博客也隨之告一段落。就應用方面而言，從入門到編譯，從編譯到調試，博主儘可能地將問題講清楚，所有資料免積分下載，也算是爲開源貢獻自己的一份力吧。博客中可能存在一些小錯誤，也歡迎大家在評論區批評指正。力有不逮，敬請見諒~