APM飛控學習之路：3 APM系統介紹與開發環境搭建

        “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。

        PS：無人機系列的第3篇至此結束，主要介紹了APM的固件和開發環境搭建，至於爲何“不要下載！”，且看下回分解。