背景描述

近年來無人機應用市場日趨火熱，無人機開始被應用在多個領域之中，比如航拍，植保，運輸，安防等。隨著應用場景的增加，對于無人機的大腦一飛控，的性能和功能要求也變得越來越高。國內具有一大批優質的無人機企業，如DJI，零度，億航，極飛等。可是這些企業的飛控系統并不開源，而開源飛控市場卻基本被國外所壟斷，比如APM, PX4, Autoquad等，國內目前還沒有一款開源飛控可以與之抗衡，在國際上也沒有令人熟知的“國產”開源飛控。正是基于開發出一款世界知名的中國的開源飛控，我從2016年開始了StarryPilot這個項目。飛控的設計理念是一款輕量，功能強大的飛控，主要面向科研和無人機行業應用，使得無人機開發技術更加普及，也更容易將無人機技術應用到各個行業。

無人機整機

Pixhawk

室外定高飛行

Gazebo HITL(硬件在環)仿真

Msh shell系統

開發環境

主控：STM32F427 + STM32F100(從控制器)

編譯環境: Keil MDK5.23

RT-Thread版本: RTT-2.1.0

硬件設計

硬件采用國外開源的自駕儀Pixhawk(https://pixhawk.org/modules/pixhawk), 如下圖所示。Pixhawk也是目前世界上應用最廣，支持的飛控系統最多的開源飛控硬件。

其主要性能參數如下：

168MHz / 256 MIPS Cortex M4F

14路 PWM/伺服 輸出

外擴總線接口 (I2C,CAN,UART)

冗余電源輸入

外部安全開關

多色LED指示燈

外置microSD卡槽

傳感器：

ST Micro L3GD20 16位陀螺儀

ST Micro LSM303D 16位加速度計/磁力計

Invensense MPU 6000 三軸加速度計/陀螺儀

MEAS MS5611 氣壓計

接口：

5x UART, 2x CAN, I2C, SPI

DSM/DSM2/DSM-X 衛星兼容輸入

PPWM, S-BUS

3.3 和 6.6V ADC輸入

microUSB

整個系統除了Pixhawk之外，還有一些外接的電子設備，如無刷電機，GPS，電調，數傳，RC接收機，Lidar-Lite激光雷達等。整體的系統框架圖如下圖所示：

軟件設計

軟件采用分層結構設計，如下圖所示，從底層到上層分別是Driver層，RTOS(RTT + Fatfs)，HAL硬件虛擬層，Framework層和應用層。

一、Driver層

Driver層實現了Pixhawk板載的所有硬件設備的驅動，如傳感器設備(陀螺儀，加速度計，磁力計，氣壓計等)，總線設備(UART, I2C, SPI等)，USB，電機驅動，SD卡驅動，GPS驅動，LED燈以及一些板載設備的驅動。各個驅動以Device的形式向RTT進行注冊，并且提供各自的init(), read(), write, ioctrl()函數供上層調用。這里僅以hmc5883磁力計的驅動舉例說明驅動程序的一般設計步驟。

- 設備初始化函數

如下為hmc5883的初始化函數。首先對設備的功能函數進行函數指針賦值，這里定義了init(), read()和ioctrl()三個函數。然后向RTT注冊名為hmc5883的驅動設備，上層可以通過查找設備名的方式來獲取該驅動設備。接下來就是給hmc5883設置對應的總線設備。這里 hmc5883使用的是i2c通信，所以初始化中會為其查找對應的i2c設備。

- init()函數

Init()函數主要做一些芯片的初始化的工作，包括寄存器配置等。

- read()函數

read()函數實現設備數據讀取的功能,如原始磁場數據和標定后的磁場數據讀取。

- ioctrl()函數

Ioctrl()函數主要實現一些設備的配置功能，如設置測量磁場的范圍，采樣頻率等。

二、RTOS層

RTOS采用RT-Thread嵌入式操作系統，它的功能強大，除了提供基本的線程調度，內存管理，同步等基本功能外，還提供了如msh的shell系統，device設備驅動系統，使得系統的整體架構更加清晰，功能也更加完善。

三、HAL層

HAL層主要是對底層驅動設備進行進一步封裝，將具體的設備抽象為一個類別的設備。以串口設備為例，不同的硬件平臺，串口的底層驅動會有差異，通過HAL層，將串口設備封裝為統一的接口，這樣當系統移植到不同平臺的時候，上層代碼不需要做任何改變，而只需要將對應底層驅動進行簡單替換就行。這將大大降低系統移植的復雜程度。

四、Framework層

Framework層實現了飛控設備的主要功能，如姿態估計，位置估計，控制器，通信，日志管理等等。可以說，這一層是整個系統的核心，大部分的功能模塊都在這一層來實現。

五、Application層

應用層是將飛控的各個大的功能進行分割，變成一個個小的功能。每個功能在系統中為一個單獨的線程，每個線程負責執行自己的任務，并且跟其他線程通過IPC進行通信。Vehicle線程具有最高優先級，執行周期為1ms。其負責實現無人機飛行相關的所有功能，如狀態估計和電機的控制。

啟動流程

下面介紹一下系統的啟動流程. 啟動流程沿用RTT提供的原始結構。首先在rtthread_startup()函數中進行RTOS的一些初始化，然后進入到rt_application_init()中。 在這個函數中會建立一個init的初始線程，在這個線程中，會對飛控各個模塊進行初始化的工作。在初始化完成之后，會根據Application層的定義，建立各個線程，并喚醒，最后將init線程自己給銷毀掉，避免不必要的內存消耗。

演示視頻

控制算法和飛行效果測試( ADRC vs PID )

項目特色

使用RT-Thread嵌入式操作系統, Fatfs文件系統，完整的系統功能支持(如跨進程通信，文件管理，參數系統等)

基于Pixhawk硬件平臺開發，完美支持Pixhawk硬件

ADRC控制和PID(串級)控制

支持Mavlink協議(QGC地面站)

支持Gazebo硬件在環(HITL)仿真

Msh指令系統，提供豐富以及可擴展的系統指令

Log日志系統，方便抓取飛行日志信息，并提供相應的日志查看工具。

基于最小二乘法的最優橢球擬合校準算法(可校準零偏誤差，縮放誤差，非正交誤差)，可用于磁力計和加速度計的校準。