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第一章 开源飞控
1.1、开源飞控的发展
1.1.1、什么是开源飞控
开源项目,顾名思义是指开放式源代码项目。飞控则根据源程序开放程度分为开源飞控和商业(非开源)飞控两类。开源飞控是指源代码公开的,可由玩家自主编程、开发的飞控,可以自己写源码添加一些功能。开源飞控的发展是建立在开源项目的基础上的。
1.1.2、开源飞控的起源
当今的开源飞控全部源于一款非常成功的商业自动驾驶仪:MicroPilot。在2003年,MicroPilot公司设计并发行了该系列的第一块集成飞控,从那年起自动驾驶仪进入高集成时代。该公司最著名的产品是MP2028,该自动驾驶仪全部集成在一块电路板上,包括10DOF传感器、气压高度、空速和GPS接收机,重量为28克。该商业飞控被美军微型无人机大量采用。
图3.1 MP2028自动驾驶仪
1.1.3、开源飞控的鼻祖
随后,集成飞控高速发展,传感器的成本也在不断降低,为了得到更好的飞控设计源代码,Arduino公司决定开放其飞控的源代码。他们建立了便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台,包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。可以说是他们开启了开源飞控的发展道路。
图3.2 Arduino开发板
1.1.4、开源飞控的发展阶段
之后开源飞控的发展一共经历了三个阶段:
● 能够让多旋翼无人机能平稳地飞起来,把拥有这种功能的控制系统叫做 第一代无人机飞控系统,第一代飞控的主要特点是模块化、可扩展。
● 能够让多旋翼无人机自主悬停、自动定高、按设定航线飞行的控制系统 称为第二代无人机飞控系统,第二代飞控的主要特点是高度集成、高可 靠。
● 飞控系统的进化远未停步于此,新的应用需求催生了飞控系统的革新。 例如:图像识别、自主避障、自动跟踪飞行等功能,将成为第三代无人 机飞控系统的标志,并且会向机器视觉、集群化、开发过程平台化的方 向发展。
1.2、开源飞控的未来
1.2.1、机器视觉
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置,分 CMOS 和CCD 两种)将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
图3.3 机器视觉
1.2.2、集群技术
集群(cluster)技术是一种较新的技术,通过集群技术,可以在付出较低成本的情况下获得在性能、可靠性、灵活性方面的相对较高的收益,其任务调度则是集群系统中的核心技术。
图3.4 集群飞行
1.2.3、嵌入式操作系统
但是要实现以上这些功能除了新算法的引入与新传感器的加入外,需要更好的操作系统与运算能力强大的处理器。下面是对操作系统和处理器的一些简要介绍。
嵌入式操作系统(Embedded Operating System,简称:EOS)是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件,通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度,控制、协调并发活动。当系统任务很多,持续、中断管理非常困难时,使用嵌入式操作系统能有效解决这个问题。
图3.5 嵌入式系统
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4个特点:
● 对实时任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间, 从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
● 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存 储区保护功能,同时也有利于软件诊断。
● 可扩展的处理器结构,以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。
● 嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此,如需要功耗只有mW甚至 μW级。
下面介绍几个常用的嵌入式操作系统:
● FreeRTOS是一个迷你操作系统内核的小型嵌入式系统。作为一个轻量级的 操作系统,功能包括:任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管 理、记录功能等,可基本满足较小系统的需要。
● uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一个可以基于ROM运行的、 可裁减的、抢占式、实时多任务内核,具有高度可移植性,特别适合于微 处理器和控制器,是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS)。
● Nuttx是一个实时嵌入式操作系统(RTOS),它
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