基于Pixhawk的多旋翼无人机避障 飞行系统研发
一种医疗急救多旋翼无人机系统的设计
• 173•为解决发生自然灾害时传统救援时效慢，机动性差，成本大等问题，本文提出并设计了一种医疗急救多旋翼无人机。
该医疗急救多旋翼无人机基于Pixhawk v5飞控系统，由避障系统、急救箱系统、信号传输系统和地面站系统组成。
实验结果表明，该医疗急救多旋翼无人机能高效执行任务，快速投入救援，以及能适应外部恶劣环境，可在应急救援中发挥重要作用。
引言：由于我国地理构造的特殊性，特别是处于板块活动较为活跃的地区经常会发生自然灾害，从而导致各类险情，如地震及其引发的次生灾害等，急需急救设施设备和药品。
传统的医疗救援依靠人力和大型设备，容易受到外界因素影响，如灾害导致的道路中断，以及发生的次生灾害等因素限制不能及时进入灾区，从而错过了救援的黄金时间。
为解决这些问题，设计一款具有快速反应能力，不易受外界环境制约，以及低成本的多旋翼无人机（张峰，佟巍，周立冬，刘爱兵，国外救援无人机的发展现状：中国医疗设备，2016）有着重要的意义。
目前大多数无人机在救援中主要承担勘测，航拍等任务（刘宇，黄亮亮，赵丹妮，张琳，陈怡，基于无人机实时航拍数据的突发事件应急救援系统开发：科技视界，2015），能够搭载急救药品的旋翼无人机则很少。
本文设计开发了医疗急救多旋翼无人机系统，其可以克服道路阻断，自由快速部署，以及搭载需第一时间到达受灾地点的急救药品等。
该系统采用Pixhawk v5飞控平台，与其他闭源商业飞控大疆，零度对比，其更容易进行二次开发，冗余的传感器设计能更好的应对突发状况。
搭载的PX4 flow 光流模块可以在户外短时失去GPS 信号保持稳定的飞行状态，从而稳定地执行飞行任务。
多方位的超声波传感器能检测障碍物进行避障，增加无人机的可靠性，以及易操作性。
同时急救箱中有半导体芯片进行制冷，来满足某些对温度敏感急救药品。
本文设计的医疗急救多旋翼无人机系统有着较好的可靠性，在救援中能发挥重要的作用。
1.系统整体设计多旋翼无人机是一种通过内置算法程序控制，由外部无线电物理遥控器操作飞行的无人驾驶飞行器（杨阳，罗婷，唐伟革，张加雄，王鹤飞，多旋翼无人机在医学救援领域的应用研究：医疗卫生装备，2018），具有不受起飞场地限制，快速部署，操控灵活等特点，适合完成各类救援任务。
基于Pixahwk的多旋翼无人机避障飞行系统研发
基于Pixahwk的多旋翼无人机避障飞行系统研发
赵航;王立峰
【期刊名称】《动力系统与控制》
【年(卷),期】2017(006)003
【摘要】飞行器的自主避障是顺利完成飞行任务的重要保证,同时在很大程度上体现了飞行器的智能性和安全性。
本文以Pixhawk开源飞控系统为基础,以“X”型四旋翼飞行器为平台,对多旋翼飞行器自主避障技术进行研究,开发出一款简单高效避障系统。
飞行试验表明该避障系统可实现飞行器避障飞行。
【总页数】12页(P98-108)
【作者】赵航;王立峰
【作者单位】[1]北方工业大学现场总线技术及自动化实验室,北京;;[1]北方工业大学现场总线技术及自动化实验室,北京
【正文语种】中文
【中图分类】V27
【相关文献】
1.基于超声波测距的多旋翼无人机避障算法 [J], 邵芳
2.基于激光雷达的多旋翼无人机室内定位与避障研究 [J], 路朝阳;王奉冲;周君;安树怀;肖文军;林柏桦
3.基于PX4飞控无人机的避障飞行系统设计 [J], 万宇楼;张琳琳;路淑贞;徐佳;陈娉婷
4.基于毫米波雷达的多旋翼无人机避障技术研究 [J], 潘枭; 王伟; 华锡焱; 房德国
5.基于多旋翼无人机的输电线路树障清除装置研发与应用 [J], 纪硕磊; 黎立; 凌焕乔; 阙兴耀
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基于Pixhawk飞控的四轴飞行器编队控制分析
基于Pixhawk飞控的四轴飞行器编队控制分析随着无人机技术的不断发展，无人机编队飞行技术逐渐成为研究热点。
无人机编队飞行技术可以实现多个无人机间的自主协同作战、搜索救援、风力发电等应用，为无人机的实际应用提供了更多可能性。
Pixhawk飞控是一种开源的自动飞行控制器，采用了先进的传感和处理单元，为四轴飞行器编队控制提供了良好的支持平台。
本文将对基于Pixhawk飞控的四轴飞行器编队控制进行分析，探讨其技术原理和应用前景。
一、Pixhawk飞控概述Pixhawk飞控是一种基于PX4开源项目的飞行控制器，具有强大的计算能力和灵活的配置选项。
其主要特点包括高性能的32位处理器、多种传感器的支持、可编程的自动引导方式和开放源代码的设计。
Pixhawk飞控具有较强的鲁棒性和适应性，可以适应各种环境和应用场景的要求。
Pixhawk飞控可以通过预装的固件进行程序升级和配置，用户可以根据实际需求对其进行定制化设置。
Pixhawk飞控还支持多种通信接口，可以与其他设备进行联网通信和数据传输。
这些特点使得Pixhawk飞控成为了无人机编队控制的理想选择。
二、四轴飞行器编队控制技术原理四轴飞行器编队控制是指多个四轴飞行器在空中以一定的规则和方式进行协同飞行，以实现特定的任务目标。
在四轴飞行器编队控制中，需要解决的关键问题包括编队形态的确定、飞行路径的规划、通信协议的设计和飞行器之间的协同控制。
1. 编队形态的确定编队形态是指多个飞行器在空中的相对位置和姿态关系。
常见的编队形态包括直线编队、菱形编队、V字形编队等。
在四轴飞行器编队控制中，需要根据实际任务需求和环境条件确定合适的编队形态，以确保编队飞行的稳定性和安全性。
2. 飞行路径的规划飞行路径规划是指确定多个飞行器在编队飞行中的航迹和航向。
飞行路径规划需要考虑飞行器的动力学特性和空间约束条件，以确保编队飞行的协调性和有效性。
飞行路径规划还需要考虑实时环境信息和通信延迟等因素，以提高编队飞行的适应性和鲁棒性。
无人机APM-PIXHAWK飞控应用研究
技术与应用APPLICATION编辑 陈姝宇文 / 张祖航 曹著明 薛翼飞无人机APM-PIXHAWK 飞控应用研究摘 要：对于复杂的无人机结构和原理，四旋翼无人机具有成本低、结构简单、使用方便等优势，同时也是最先进入民品市场的机型。
可是，该无人机对飞行控制操作能力要求很高，由此激发了大量科研人士对基于MEMS传感器的开源飞控的研制。
由于无人机飞控的发展，有效提升了多旋翼无人机、固定翼无人机、车模和直升机等设备的性能，使其具备多种运行模式，其功能已接近商业自动驾驶仪标准。
本文通过研究APM-PIXHAWK开源飞控的性能以及原理和相应的飞控调试中的出现问题，提出相关提升其性能的策略，以实现开源飞控在商业市场上的高性能及飞行器的飞行稳定性，更好地为无人机行业做出贡献。
关键词：无人机 飞控 开源 APM 研究从无人机的硬件设施来分析，飞控系统主要包括传感器、飞控计算机及伺服装置三部分。
整个无人机机载飞控系统的核心设备是飞控计算机，其主要功能是依据输入的相关信息（传感器等）、储存的相关数据和状态以及传输的数据与上行遥控指令（无线电测控终端），再完成分析、计算和处理，然后输出给伺服运行机构即舵机系统，来操纵控制无人机的舵面、前轮和发动机的风门，以实现对无人机的飞行或地面滑跑的控制。
无人机相关的状态信息主要由测定装置负责测量，无人机的主要测量装置有：陀螺仪（三轴角速度、垂直），传感器（攻角和偏航角、真实空速、磁航向、气压高度和高度差、发动机转速）等。
以舵机为执行元件的是伺服系统，其随动系统由若干部件组成，它将主要影响飞控系统带宽。
伺服系统是按照指令模型装置或敏感元件输出的电信号来操纵舵面，以实现无人机的自动稳定和控制。
在该伺服系统中常用的三种反馈是均衡反馈、位置反馈和速度反馈。
同时它们构成三种常见的舵回路形式，即硬反馈式、弹性反馈和软反馈式。
一、PIXHAWK 飞控ArduPilot Mega 自动驾驶仪（简称APM 自驾仪-APM V）是一款非常优秀而且完全开源的自动驾驶控制器，可应用于多旋翼、固定翼、车模、直升机等，同时还可以搭配多款功能强大的地面控制站配合使用。
基于树莓派和Pixhawk的多旋翼无人机自主着陆系统的研究
基于树莓派和Pixhawk的多旋翼无人机自主着陆系统的研究作者：鲁青青宋志强陈豪来源：《电脑知识与技术》2019年第13期摘要：多旋翼无人机的自主着陆系统研究对于其智能应用具有重要作用。
着重研究如何通过树莓派3B 和开源Pixhawk 飞行控制器构建性价比高的多旋翼无人机自主着陆系统，从硬件构成、开发环境搭建、软件仿真等方面做了较为详细的介绍，可给经费紧张的研究人员搭建系统提供有益参考。
仿真实验和实物验证证明了方案的可行性。
关键词：树莓派;PX4飞控;多旋翼无人机;自主着陆系统中图分类号： TP391 ; ; ; 文献标识码： A文章编号：1009-3044（2019）13-0263-03Abstract： The study of autonomous landing systems for multi-rotor UAVs plays an important role in their intelligent applications. Focusing on how to build a cost-effective multi-rotor UAV autonomous landing system by using Raspberry Pi 3B and open source Pixhawk flight controller，the hardware composition， development environment construction， software simulation and other aspects have been introduced in detail， which can provide useful reference for researchers with limited funds to build the system. Simulation experiments and physical verification prove the feasibility of the scheme.Key words： Raspberry Pi; PX4 flight control; multi-rotor drone; autonomous landing system無人机最初应用于军事领域，近年来在民用领域，特别是搜救、灾害监管、测绘、安防、农业、电力、交通、环保等领域均有无人机的身影。
多旋翼无人机自主飞行控制方法研究与实现
KEY WORDS：Multi – rotor UAV，Autonomous flight，The estimation of position
and attitude, PID control , Sliding mode control
II
基于pixhawk飞控的四旋翼机械臂无人机设计
• 181•无人机技术的快速发展，在日常生活中越来越常见，目前人们主要是在无人机上装上相机，以航拍为主。
为了扩大无人机的应用我们采用了在无人机下面安装一个轻型机械臂来进行生活中的实际应用，实现了高空作业人们做不到的一些操作，例如高空电线的简单悬挂问题。
其中存在的缺点持续性不强。
其中优点也很明显轻便、可操作性强，机械臂能进行一些简单的作业增加了其实操性，提高了安全性。
1 四旋翼无人机飞行基本原理整体上旋翼对称分布在机体的4个轴上，四个旋翼要求处于同一高度平面，且四个旋翼的整体以及半径都要求相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，机架中间平台安装飞行控制器、外部设备和电子调速器。
通过计算机控制电子调速器来调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。
然后再无人机上安装机械臂并且能够通过飞控进行控制。
在图1中，四旋翼无人机的电机1和3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
电机1和电机3作逆时针旋转，电机2和电机4作顺时针旋转，规定沿x 轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。
图1 无人机4种运动图2 硬件部分我们采用的是以PIXHAWK2.4.8飞控为主的无人机的硬件设计。
飞控有极强的输出能力：可以对14个舵机输出PWN ，其中8个输出引脚带失效保护功能，可进行人工设定。
6个输出引脚可用于输入，并且全部支持高压舵机。
还拥有大量外设接口，如：UART ，I2C ，CAN 。
在飞翼模式中，可使用飞行中备份系统，可设置、可存储飞行状态等数据。
外置安全开关、全色LED 智能指示灯、外接式大音量智能声音指示器。
可插拔式microSD 卡控制器，可以进行高速数据记录。
在电源方面，所有外设输出带有功率保护，所有输入带有静电保护，多余度供电系统，可实现不间断供电。
如图2。
基于Pixhawk的四旋翼无人机光流改进算法研究
关 键 词 ：Ｐｉｘｈａｗｋ；无人 机 ；改 进 光 流 算 法 ；ＰＸ４ＦＬＯＷ 光 流 传 感 器
中 图分 类 号 ：ＴＰ３１１
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｌｏｗ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ
Ｑｕａｄ—ｒｏｔｏｒ ＵＡＶ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｉｘｈａｗｋ
削 减 频 闪光 对 光 流 数 据 的影 响 ；再 通 过 Ｈｅｓｓｉａｎ矩 阵 阈值 处 理 剔 除 异 常 点 ；最后 将 改进 算 法 代 码 通 过 ＱＧｒｏｕｎｄＣｏｎｔｒｏｌ刷 写 四
旋 翼 无 人机 固件 后 进 行 真 机 飞 行 实验 ，实验 结 果 表 明 ，改进 的 光 流 算 法 能 够 有 效 解 决 问题 。
邱 鹏 瑞 ， 袁 希 平
Байду номын сангаас
．
（１．昆明理 工大 学 国土 资源 工程 学 院 ，昆 明 ６５００９３；２．昆明 冶金高 等专 科学 校 ，昆明 ６５００３３）
摘 要 ：采 用 开 源 Ｐｉｘｈａｗｋ四 旋 翼 无 人 机 飞 控 结 合 ＰＸ４ＦＬＯＷ 光 流 传 感 器 作 为硬 件 平 台 ，分 析 了 原 有 光 流 算 法 采 用 块 匹 配
Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．７，２０１８
基 金 项 目
微 型 电脑 应 用 ２０１８年 第 ３４卷 第 ７期
文 章 编 号 ：１００７－７５７Ｘ（２０１８）０７—０００６—０４
基 于 Ｐｉｘｈａｗｋ的 四旋 翼 无 人 机 光 流 改进 算 法研 究
法进 行 光 流 定 位 时 ，自然 光及 周 边 环 境 对 块 匹 配 算 法 的 影 响 较 大 ，特 别 是 在 频 闪和 弱 光 条 件 下 导 致 视 觉 数 据 偏 离理 想 值 较
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Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2017, 6(3), 98-108 Published Online July 2017 in Hans. /journal/dsc https:///10.12677/dsc.2017.63013文章引用: 赵航, 王立峰. 基于pixahwk 的多旋翼无人机避障飞行系统研发[J]. 动力系统与控制, 2017, 6(3): 98-108.Study on Obstacle Avoidance Flight System of Multi-Rotor UAV Based on PixhawkHang Zhao, Lifeng WangField Bus Technology & Automation Lab, North China University of Technology, BeijingReceived: May 2nd , 2017; accepted: Jun. 10th , 2017; published: Jun. 13th, 2017AbstractAutonomous obstacle avoidance is an important guarantee for the successful completion of the mission, and it reflects the intelligence and security of the aircraft. This article aims to study the obstacle avoidance technology of multi-rotor UAV based on the cross type quadrotor and Pixhawkwhich is the open source flight control system. A simple and efficient obstacle avoidance system is developed. The flight test shows that the obstacle avoidance system can realize the obstacle avoidance of UAV.KeywordsPixhawk, Quadrotor, Obstacle Avoidance基于Pixhawk 的多旋翼无人机避障 飞行系统研发赵 航，王立峰北方工业大学现场总线技术及自动化实验室，北京收稿日期：2017年5月2日；录用日期：2017年6月10日；发布日期：2017年6月13日摘 要飞行器的自主避障是顺利完成飞行任务的重要保证，同时在很大程度上体现了飞行器的智能性和安全性。
本文以Pixhawk 开源飞控系统为基础，以“X ”型四旋翼飞行器为平台，对多旋翼飞行器自主避障技术进行研究，开发出一款简单高效避障系统。
飞行试验表明该避障系统可实现飞行器避障飞行。
赵航，王立峰关键词Pixhawk，四旋翼飞行器，避障Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言近年来，多旋翼无人机因其机动灵活、垂直起降、自主飞行等特性，在军用领域、农业领域和工业领域等方面得到了广泛的应用。
然而，由于飞行环境与飞行任务的日趋复杂化，无人机在执行飞行任务中遇到障碍物时，如何实现快速高效的避障，保证无人机的安全性，提高无人机的智能性，正成为无人机发展的趋势。
国内外很多学者和无人机公司对多旋翼飞行器避障系统进行了研究，例如文献[1]基于Arduino UNO 采集超声波数据和遥控器信号，并根据超声波测量的数据对遥控信号进行逻辑判断后，发送给飞控系统进行避障，该避障系统具备多适配性的特点。
文献[2]对无人机编队避障方法进行研究，首先通过构建Voronoi图，利用K路径算法为无人机找到多条备选路径，然后建立协同函数，为无人机规划出最优的障碍物规避航迹。
文献[3] [4]针对无人机电力巡线过程中避障和路径规划问题进行研究。
文献[5]基于Pixhawk和改进人工势场法(IAPF)，提出适用于桥梁检测的无人机自动避障路径规划和实现。
文献[6] [7]采用多传感器数据融合，检测飞行器周围环境信息，对飞行器避障飞行以及航迹规划进行研究。
另外，国内外各大无人机公司相继推出具备避障功能的飞行器，如零度“Xplorer 2”、DJI“Guidance”、昊翔“Typhoon H RealSense”等。
本文以Pixhawk开源飞控系统为基础，并以“X”型四旋翼飞行器为平台，对多旋翼飞行器如何实现自主避障进行研究。
2. 系统架构整体设计本文无人机避障系统整体实现流程如图1所示，其中，测距传感器采用HC-SR04超声波传感器，实时检测飞行器周围环境信息；基于Arduino Mega2560开发板，设计出一款带有CAN总线和串口两种通讯接口的数据采集模块，用于采集超声波数据和实现与Pixhawk飞控的通讯；在搭载APM飞行控制栈的Pixhawk飞控系统中完成上层避障应用的开发。
Figure 1. Flow chart of obstacle avoidance图1.避障实现流程图赵航，王立峰3. 硬件设计本文基于Arduino Mega2560开发板，设计出一款带有CAN总线接口和串口的数据采集模块，主要完成两方面的工作：1. 采集超声波数据；2. 通过CAN总线或串口的方式与Pixhawk飞控进行通讯，完成数据交换。
图2为主芯片Atmega2560外围电路、串口和超声波接口原理图。
CAN总线接口实现如图3所示，其中，CAN控制器采用MCP2515，通讯速率可达1 Mb/s，通过SPI 的通讯方式与MCU连接；CAN收发器采用TJA1050，可为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。
模块还挂载有ATmega16u2芯片用于虚拟一个USB-Serial转换器，可实现模块与计算机的通信和程序下载。
Figure 2. Serial port and ultrasonic interface diagram图2. 串口和超声波接口图赵航，王立峰Figure 3. CAN interface diagram图3. CAN总线接口图4. 软件设计4.1. 超声波数据采集与发送本文使用Arduino进行超声波数据采集和发送。
选用的超声波模块为HC-SR04，可实现对2 cm~450 cm距离内平面相对比较平整的物体进行检测。
该模块有四个引脚，分别为Trig、Echo、VCC、GND。
首先定义Trig、Echo端连接的引脚；进行串口初始化，设置串口通信波特率；配置Trig引脚为输出，Echo 引脚为输入，并在loop()循环中对trig引脚持续输出10 us高电平，获得echo引脚高电平持续的时间；计算超声波传感器测量的距离；调用滤波器，对测量的数据进行滤波处理；串口输出滤波后的数据，具体实现流程如图4所示。
4.2. Pixhawk串口接收1. 自定义主题Pixhawk飞控系统中封装了一个跨平台无锁publish/subscribe模式的对象请求代理(uORB)，用于完成进程间通信和数据交换。
uORB将进程间通信的数据命名为“主题”，“主题”中定义了通信的数据结构，通过“主题”的发布和订阅完成进程间的数据交换，如图5所示。
Pixhawk飞控系统中所有通用接口标准主题全部定义在ardupilot/modules/PX4Firmware/msg目录下的.msg文件中，编译飞控程序过程中，赵航，王立峰Figure 4. Flow chart of distance measurement图4.测距流程图Figure 5. Topic publish/subscribe图5.主题发布/订阅通过调用工具Pyhton，检索该目录下的.msg文件，并以msg.h.template文件中定义的模板，将所有.msg 文件转换生成.h文件，并保存在目录PX4Firmware/src/modules/uORB/topics下，该msg.h实现对主题的数据结构定义，通过调用ORB_DECLARE()完成了主题的声明。
本文使用的是自定义主题，则需要在ardupilot/modules/PX4Firmware/msg目录下新建一个名为serial_sonar.msg文件，在该文件中定义Pixhawk串口接收到所有超声波数据。
2. 定义主题赵航，王立峰主题的发布需完成三个独立又相关联的动作:调用ORB_DEFINE()定义主题；调用orb_advertise()公告主题；调用orb_publish()发布主题。
Pixhawk中所有标准主题的定义均封装在ardupilot/modules/PX4Firmware/src/modules/uORB/objects_common.cpp文件中，则本文需要在该文件中完成serial_sonar主题定义。
3. 创建新的任务进程Pixhawk飞控系统使用具有多任务特性的NuttX实时操作系统，在飞控上电之后，NuttX完成底层任务、设备等初始化工作。
Pixhawk飞控系统将所有的任务以模块化的形式进行封装，均在ardupilot/modules/PX4Firmware/src/module目录下。
本文需要在该目录下创建一个新的任务模块文件夹，并在该文件夹中定义任务实现文件和.mk文件。
任务实现文件中通过调用px4_task_spawn_cmd()函数创建新的任务进程。
其中，在入口函数中完成了串口配置、波特率设置、主题公告和发布等工作，具体实现流程如图6所示。
而在.mk文件中需要定义该模块编译指令MODULE_COMMAND和依赖文件,以便在编译飞控程序时进行调用和执行。
Figure 6. Flow chart of Pixhawk serial port program图6. Pixhawk串口接收程序流程图赵航，王立峰4. 加入Pixhawk编译系统Pixhawk借助make工具实现对飞控程序的编译。
Makefile文件中定义了程序编译规则、文件包含和调用关系等。
在px4_targets.mk文件中，有以下这样几行程序，规定了飞行固件编译需要哪些底层驱动及任务模块。