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一臺自主飛行的無人機是怎麼組成的？——之硬件部分
| 本帖最後由 123456 於 2020-5-24 10:52 編輯 一臺無人機可大致分爲硬件平臺和軟件功能模塊組成，硬件是功能的載體，當然還有做科研實驗比較重要的仿真系統，這裏所說的仿真系統是指3維Gazebo仿真系統，用於驗證飛行邏輯，規避炸機風險，驗證視覺算法、節約實驗成本，通過仿真的環境搭建，可以快速完成原型方案的迭代。實現功能仿真和真實飛行的聯合開發。
今天我們先來討論下無人機的硬件平臺主要是由哪些模塊組成的。
根據個人經驗大體總結如下，PS：由於筆者經驗有限，如有表述不對的地方，歡迎糾正。
組裝一臺自主無人機飛行平臺，硬件可以大致分爲五部分：
1、無人機機身
2、飛控計算機
3、感知和任務管理計算機/機載電腦
4、環境感知傳感器
5、組網鏈路
其相互之間大致工作原理如下圖：
  無人機機身（無人機機身包括：機架、動力系統（電機，電調，槳、電池）、分電板）
[size=10.5000pt]1、機架：一般來說，機架越大，飛機越穩定。室內的旋翼機，一般不會超過 450 軸距，做的越小越難（參數難調，整體系統搭建困難）。如果會一些簡單的繪圖工具可以自行設計機架，這樣做的好處是，可以自行留出安裝孔位來安裝機載電腦和傳感器。市面上大部分機架沒有 預留機載電腦和傳感器的位置，都需要自行設計和安排。
2、動力系統推薦 T-motor
3、電池推薦格式
阿木實驗室也有一款方便二次擴展的機架，預留了機載電腦和傳感器的位置，機身採用的碳纖維材質，做科研避免不了磕磕碰碰，機身強度不夠，會給以後的調試工作帶來很多麻煩！碳纖維材質相比其他材質來講更加耐摔，耐炸。https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c-s.w4002-22617251051.23.43e85fc75ESG04&id=616344442145
 飛控計算機（飛控計算機由單片機和對應的實時操作系統（APM固件/PX4固件）擔任，要求就是實時性強，任務執行頻率上百赫茲，可以快速的控制電器系統，強調響應的實時性和相對簡單可靠，確保被控對象的平衡穩定。）
 市場上比較常見的型號舉例:pixhawk2.4.8 pixhawkV4 pixhawkV2 pixhawkV5。筆者知道的幾家公司有赫星，雷訊，合力兄弟（此處推薦的爲開源飛控）
pixhawk2.4.8作爲比較經典的版本，價格親民，推薦入門的同學可以選擇這款，但因爲硬件版本問題不能燒寫最新的固件，但最爲入門學習的話，也是夠用的。
pixhawkV4和pixhawkV5相對來說對PX4固件兼容更好，pixhawkV2相對來說對APM固件兼容更好，可根據自身開發需求選擇。
感知和任務管理計算機也叫機載電腦（由PowerPC，DSP，Arm，X86構架的CPU來擔任，通常都是計算性能強大，並且運行之上的操作系統可靠如(VxWorks)等。負責運算和決策，完成複雜計算，和環境感知的工作。通常這種任務計算複雜，某些情況下也要求較高的任務執行頻率。）
 常見的機載電腦舉例：樹莓派，odroid，英偉達的 TX1 TX2，DJI 的妙算主機（TK1），Intel 的
joule 570X（X86 構架），Intel 的 NUC （x86 構架）。
簡單來說，只要能裝 ubuntu 系統的板卡就行，ros 系統和 mavros 功能包對硬件的要求不高。 所以樹莓派這個級別（幾百元左右）的板卡就行。但是如果還有其他一些代碼要運行在機載電腦中時。機載電腦的選擇考慮三個方面，按照優先級分爲：處理能力>尺寸（重量）>接口> 功耗
1、處理能力
機載電腦的處理能力影響代碼運行的速度。簡單來說，越貴的一般處理能力越強。所以這裏自己權衡，能夠滿足自己需求且價格上能接受的就好。對於視覺方面的應用，英偉達的板卡都帶 gpu，處理視覺代碼會有優勢（但前提是你會用 gpu）。
2、尺寸（重量）
尺寸和重量影響無人機的續航和機架尺寸選擇。越輕越小越有優勢。機載電腦太沉可能小機架（250 軸距以下）無法起飛。
3、接口
接口並不要求有多豐富，滿足自身要求即可。首先與飛控連接需要一個串口或者 usb。其次
要滿足所搭載傳感器對接口的要求，usb3.0？網口？等等。
4、功耗
功耗影響電池，從而也影響無人機續航（如果用同一塊電池供電的話）。首先機載電腦需要
設計無人機機上供電，需要考慮無人機的電池電壓和機載電腦的輸入電壓是否匹配。其次功
耗大可能會浪費過多電池電量，但這塊開發者可以忽略，因爲實驗產品不需要強調長續航，
電池能夠飛個 5 分鐘，保證一次實驗或一次演示的電就行。
環境感知傳感器：（環境感知設備，激光定高雷達，360度旋轉式激光雷達，T265雙目VIO攝像頭，D435I等等、不一一舉例，這些傳感器數據感知周圍環境，構建出地形圖，通過激光/視覺等。是無人機自主飛行控制的前提條件。）
 1、結構光深度傳感器：參考型號英特爾D435I
功能：可用於室內導航與三維重建，參考算法 ORB-SLAM2 、RTAB_MAP
2、二維激光雷達：參考型號思嵐S1
功能：2D 激光室內導航定位與建圖，參考算法 cartographer VHF
3、雙目視覺：參考型號英特爾T265
功能：雙目室內無GPS環境下定位 參考算法ORB-SLAM2
傳感器還有很多，這裏就不一一說明了，具體選擇時可參考機載電腦考慮因素，作用，尺寸、重量這些因素
組網鏈路
對於普通航模來說，飛機模型在操控者的視野內飛行，並由操控者實時控制，也可不使用數傳與地面通訊。但對於無人機來說，我們還是希望飛機能通過數傳或通過4G模塊實時將飛機狀態回傳到地面站。最終達到的就是飛機與電腦間的通訊，電腦給飛機的任務，飛機實時飛行高度，速度等很多數據都會通過它來傳輸，以方便我們時時監控飛機情況，根據需要隨時修改飛機航向。這也是我們在地面可以直接操控飛機的一個基礎。如果飛機上搭載有攝像頭等設備，需要將圖像也回傳到地面端時就需要加上圖傳設備，當然也有圖數傳一體的組網鏈路。
常見數傳類型有數傳電臺，WiFi數傳，4G數傳。這幾種類型的數傳鏈路都可以實現地面站和飛機之間的數據傳輸，只是實現方式不同。
 1、數傳電臺：一般的數傳電臺採用的接口協議有TTL接口、RS485接口和RS232接口，不過也有一些CAN-BUS總線接口，頻率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ，一般433MHZ的較多，因爲433MHZ是個開放的頻段，再加上433MHZ波長較長，穿透力強等優勢所以大部分民用用戶一般都是用的433MHZ，距離在5千米到15千米不等，甚至更遠。
電臺需要一對，也就是移動端一個，地面端一個。
2、WiFi數傳：通過WIFI熱點的方式實現數傳傳輸，將無人機和地面端連接同一熱點。弊端是WIFI數傳傳輸距離不是很遠。優點是組網方便，只要設備連接同一熱點，即可組網。
3、4G數傳：4G數傳的優勢在於傳輸距離不受限制，只要有4G網絡的地方，飛機和地面站都可以連接進行數據傳輸。只是每年會有一定服務器費用，當然也有免費的服務器，只是延遲相對會大一些。
4、圖傳：圖傳可以將帶有攝像頭的無人機飛行時拍攝的實時畫面傳回到地面端，相對數傳來說，帶寬要求會大很多，如果帶寬太小，傳輸視頻延遲好幾秒，那效果可想而知。
這裏向大家推薦一款WIFI圖數傳一體的數傳鏈路，帶寬高，可同時傳輸數據和視頻圖像，並且還支持多機組網。通訊距離4KM左右，可滿足大多數科研實驗需求了。
下面是測試多臺無人機用這款組網鏈路組網的視頻
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