自主旋翼无人机导论课程学习记录

自主旋翼无人机导论课程学习记录

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/KE_LOSA/article/details/146261347

本文是关于浙大高飞老师与深蓝学院合作的自主旋翼无人机导论课程的学习记录。课程内容涵盖了无人机的种类、自主无人机架构、软硬件架构等多个方面，适合对无人机技术感兴趣的读者。

系列文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 第一章:导论
• 第二章：软硬件架构

前言

这门课是浙大高飞老师跟深蓝学院合作的免费公开课，想看课程的话去深蓝学院搜索即可，毕竟是免费的。同时高飞老师在b站也发布了免费的实物搭建教程，相辅相成。

深蓝学院链接：自主旋翼无人机导论述

b站实物教程链接：【完结】从0制作自主空中机器人 | 开源 | 浙江大学Fast-Lab

不过毕竟是两年前（2023年1月）的教程，主要的硬件选型（如机载电脑）可能已经更新换代有更好的选择，这方面需要读者自己去搜索了解一下。

第一章:导论

无人飞行器种类

自主无人机架构

相关内容如：定位、建图、路径搜索、路径优化、控制算法等，都很复杂，需要自己线下学习了解。一些经典工具或算法介绍如下，都是基石类知识，建议都去了解至少知道是怎么回事。

定位：

• GPS
• 动作捕捉仪
• 视觉惯性里程计（VIO）
• 激光惯性里程计

建图：

• 点云地图
• 栅格地图
• 八叉树地图
• 欧氏距离场(ESDF)

路径搜索：

• Dijkstra
• Astar
• RRT
• 人工势场法

路径优化：

• Minimum-Snap
• SE(3)轨迹优化

实验室的一些工作介绍

可以自己去了解，高老师实验室的成果基本都在github上开源了，难度较大，想学明白还是很难的。就算拿来用也需要很多基础知识。

第二章：软硬件架构

无人机硬件架构

飞控

飞控又称飞行控制器，用于根据输入指令解算电机推力。也就是说你只需要输入上升多少、前进多少、转弯多少，姿态怎样之类的命令，而不需要考虑每个旋翼的电机转速应该多少才能达到对应状态，不然你就需要给出底层电机的转速才能完成飞行了，飞控就是帮我们解决了这个问题。

飞控内置了一些传感器来帮助主控芯片实现控制：

飞控会预留许多通信接口来便于接入设备或扩展：

飞控发展至今有几个主要派系，有些时候可能兼容，很多时候不行：

选型指标：

电调

电调（Electronic Speed Control，ESC），即电子调速器，用于控制无刷电机或其他类型电机的转速，飞控根据目标姿态输出电机转速，但电机只会转，并没有数控模块，因此就需要电调。电调实际上就是电机的驱动模块，它接收控制信号，再根据信号控制输出的电流大小、相位，从而精确控制电机。

选电调时务必要注意与电机的适配，通常可以通过电机的力效表来估算电机正常运行下的电流，并确保电流低于电调的额定值。而且因为各种损耗和估算的不准确，选电调时要选承载电流更大的，留够余裕防止过载。

比较便宜的有空心杯电机，性能低容易坏，更常用的是无刷电机。

选型指标：

• 电机尺寸
• 适配的桨叶尺寸
• KV值

KV值

通常来说，工作电压越小、适配桨叶越小的电机，KV值越大。主要还是根据实际条件选合适的KV值。

力效表

怎么使用力效表的实例如下：

假设有四旋翼无人机自重2000g，那么想要悬停在空中一片桨叶（桨叶型号GF7032两叶桨）需要提供至少500g拉力。在力效表找到500g拉力处，对应的油门是35%，每台电机对应的工作电压是23.93V，力效是5.68 g/W。

那么可以计算如下：

悬停功率：2000g（自重） / 5.68（力效，g/w） = 350W

悬停电流：350W（悬停功率） / 23.93V（悬停电压） = 15A

假设期待的悬停续航是半个小时，那么应购买的电池容量为：

电池容量：15A * 0.5h = 7500mAh

电调选型在力效表找到油门100%处，发现对应的工作电流是47.07A（每台电机），那么在选购电调时，必须确保其承载电流大于电机最大工作点处的电流，也就是此表中的47.07A，对此例选用60A的电调比较合适。

注意力效表都是在标准状态下测得，实际使用时难免有很多其他损耗，经常会打折扣。甚至会有无良厂家虚标的情况？

电池

选型指标：电压（电芯数）、放电倍率、容量

BB响

指示电池内电压，并且在低压时发出“BB响”提醒。一般设在3.3V，避免电池过放。航模电池（锂电池）过放和过充都十分危险，严重时会引起自燃或者更甚，因此使用时需要注意，一定按照规范！

遥控器

选型指标：通道数、信号稳定度、手感。

接收机

接收遥控器的信号，选购时注意信号接收距离。

GPS

定位用，常用与定点模式。对于自主无人机一般不使用，而会使用视觉惯性里程计或者其他slam技术进行定位。

机架

选型指标：轴距、重量、扩展结构。

例如Q250机架 、F330机架等，其中数字指的就是轴距，单位是mm。轴距应该根据需求选择，更大的轴距意味着更大的电机和桨叶。

机载电脑

内部安装操作系统（如linux类型的ubuntu），因此可以运行各种算法如识别算法、路径规划算法、导航算法、运行神经网络等等。机载电脑选型指标：GPU、CPU、兼容性、重量体积。

举例如下：

传感器

感知环境用。

一台标准自主无人机的爆炸图：

无人机设计方法

选定传感器

• 问： 高精度地图及定位？
• 选用激光雷达感知高精度建图。
• 问： 不需要高精地图，简单建图避障即可？
• 双目相机即可。
• 问： 外部定位？
• 有外部动捕定位直接用就可以，没有的话需要运行雷达 / 相机惯性里程计。
• 问： 需要视觉识别？
• 使用USB摄像头

选定机架

可选择的情况下，尽量选择小机架来保证无人机的机动性。

动力套件

如果有特殊动力、推质比、改装需求则另行选择，否则采用对应机架尺寸的经典搭配即可。

机载电脑

• 问： 视觉识别要求，要能够运行深度神经网络算法？
• 选用jetson xavier NX 或类似。
• 问： 有比较高的CPU算力要求（如路径规划、避障、导航）？
• 选用 DJI妙算2-c 或类似。
• 问： 既需要视觉识别，又需要CPU算力？
• 可以考虑同时使用两台电脑靠网线串联通信，或换性能更强的机载电脑。

案例：

关键点：

• （1）要求较高速飞行，故选择大KV值来提供更大的推质比。
• （2）需要较大的CPU算力来运行VIO算法（视觉里程计），故选择大疆妙算2-C。

关键点：

• （1）无需高速飞行，但有续航要求。故选择了更节能的小型电机配4寸桨。
• （2）需要运行VIO算法，但由于载重和续航限制需要小型电脑，DJI妙算过大，于是选用jetson Xavier NX。为了让VIO算法流畅运行，或许需要在配置时自行对jetson Xavier NX进行一些修改……

关键点：

• （1）深度神经网络进行人体识别就会几乎榨干jetson Xavier NX的算力，无力运行VIO和路径规划避障算法，因此加了妙算2-C。