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【浙江大學】浙大博導帶你從0制作無人機_嗶哩嗶哩_bilibili

什么是無人飛行器

?無人機自主導航構架

IMU（加速度計和陀螺儀），可以測出當前的 加速度和角速度 這倆信息再去融合外部傳感器 （例如視覺傳感器或者雷達傳感器）得到點云數據或者圖像數據 把IMU數據和點云（圖像）數據? ?二者進行融合? 就能搭建出一個定位建圖的功能 ，再用定位解算出來的 無人機實時位置數據和姿態數據 再結合 環境傳感器 進行測距 全部信息融合 就能得到一個稠密的地圖?

控制器分上下兩層控制器： 下層：姿態控制（完全交給飛控）? 上層：位置、速度等上層的控制量（交給 無人機 機載電腦里處理）

感知動作閉環回路：首先傳感器有數據進來? 定位和建圖讓無人機知道了自己在哪、周圍的環境長什么樣? 運動規劃則告訴無人機要去想去的地方應該如何生成運動的軌跡? 運動的軌跡交給控制器去執行（就是四個電機的轉速）

定位：

1.GPS（衛星導航定位）獲得一個 全局的定位 （但是 只能用于開闊地帶 室內有遮擋就不行了）

2.動作捕捉系統 ：專門研究高精度控制、純規劃控制算法時想拋開定位，測試利用整個系統的依耐性，我們可以在室內構建一個動作捕捉系統。（動作捕捉系統? 必然依賴 環境事先布置好的相機 只能在室內房間使用）

具體方法：在無人機上，粘貼幾個發光的小球，可以高精度的解算出實時所處的位置和姿態 以此來驗證 控制算法。

3.視覺慣性里程計（VIO）

4.激光慣性里程計（LLO）

用 3、4時 當算法合理時 理論上可以在任何一個未知復雜的環境去自由的定位。

建圖：

1.點云地圖：用深度測量 構建 點云地圖

2. 柵格地圖：對環境進行柵格化、離散化的柵格地圖

3.歐氏距離場（非常適用于無人機的局部避障）：在點云和柵格的基礎上更高級的地圖 歐氏距離場 歐式距離場首先需要一個柵格地圖，此外 會記錄柵格地圖中的每一個點到最臨近障礙物的距離。

4.八叉樹地圖：更精巧的地圖，存儲的復雜度更低 但有些東西的復雜性會高一點。

路徑搜索：

路徑規劃包括： 前端的路徑搜索 后端的軌跡優化

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軌跡優化

無人機的軟、硬架構

一般的無人機 的構架為下圖所示（與科研 自主導航無人機不同 科研自主導航的無人機可以不裝載云臺相機和GPS 但需要搭載? 其他的傳感器 和 機載電腦 ）

1.飛控:無人機的小腦

用于： 根據輸入指令 來解算 電機的轉速（推力）從而控制無人機飛行。

一個飛控中? 一般會

內置? ? IMU 輸出 加速度信息

內置 氣壓計 輸出無人機的高度

內置 磁羅盤 獲取無人機朝向

此外 還提供了 豐富的接口?

PX4派系：有良好的 開源社區 和 豐富的可自定義的功能 玩法比DJI（大疆）的飛控多很多。

決定一臺飛控的好壞： 是否 具有 內置減震系統（避免IMU在飛行過程中出現過大的振動） 和 恒溫系統（避免IMU避免溫飄），從而影響性能?

?2.電調（電子調速器/電機驅動器）：

可以理解為 電機驅動器

作用：將輸入的控制信號 轉化成 電流 來控制電機的轉動

電調分類：

四合一電調? ：四個電機接在同一個電調上 體積比較小、排線清爽（更多在 空間比較緊湊的穿越機上）

分體電調：每個電機連接一個電調（更常用在航拍無人機上）

3.電機

作用：帶動槳葉，提供升力

一般無人機上 用的是 無刷電機

但便宜的 可以用空心杯電機：價格便宜 但比較容易損壞（華強北100多的無人機就是用的空心杯）

越大的電機 就能配更大的槳葉（就會有更強的升力）

尺寸：2205 （22*05）? 前兩位表示 定子的直徑? 后兩位表示定子的高度?

KV值：電機供電 每提高 1V 轉速提高的 數值（工作電壓越小，適配槳葉越小的電機,Kv值越大）。

實際需要根據無人機的工作電壓和槳葉尺寸 來選擇合適的KV值。

力效表：可以根據力效表 粗略的算出 飛機續航以及工作電流等等（購買電機時 會提供）（力效表 可能會有虛構 實際用的時候會大打折扣 買的時候注意）

例如： 預計起飛重量 2KG?

懸停時? 每個槳葉就要提供 2000/4=500g的升力

如果選擇表中的7042型號的二葉槳

500g對應的大致升力 為35%的油門?

此時力效為5.68?

懸停功率：2000/5.68≈350W

電流350/23.93≈15A

如果我想續航 有30Min? ?則如何選擇電池? 用電流*時間? ?15*0.5= 7.5Ah=7500mAh

還能根據 最大工作電流 選擇 電調

在下圖7042槳葉 中 油門點達到100% 時?

工作電流為47.07A 那么 我們就應該選購一個 50A以上的電調，來適配這款電機

?4.其他配件：電池、電壓計、接收機、遙控器、GPS、視覺慣性里程計、機架、機載電腦、常見的傳感器

電池： 一般是 鋰電池

作用：為電機、飛控、機載電腦供電?

選購：最關心的是? ?電池的 電壓 容量 和? 放電倍率 等

航模電池 常說是 4S? 6S電池? S代表的是 串聯電池的芯數? 每片電芯 輸出約4V? 4S=16V? 6S=24V（電芯越多 電機輸出越暴力）

電壓計 會在 電池電壓 過低的時候? ? ? ?發出 嗶嗶嗶的響聲（一般閾值設置在3.3V）避免電池過放 避免電池電壓過低 導致墜機 。

接收機：

為 飛控接收 遙控信號（裝載在 飛控上? 接收機 接收到 遙控器 發出的信號 再給到 主控芯片）

遙控器：

發送 控制指令 給接收機 接收機接收到后 給主控芯片 主控芯片來控制無人機。

GPS:

接收衛星信號，為無人機定位，在航拍無人機中是標配，可以在定點模式下 通過GPS 把無人機像釘子一樣 釘在空中。 （定點模式 就是 根據GPS 的數據 讓無人機在這個數據下 進行懸停或者運動）。?

視覺慣性里程計：

很多 科研開發的 通常會需要 在室內 沒有GPS信號的環境中使用， 所以使用 視覺慣性里程計等來定位

機架：

參數：軸距：（兩個電機中心的距離） 下圖 250 330 450指的就是 軸距??

重量

起落架：

機載電腦：

運行在無人機上的 小型電腦。? 可以運行各種復雜的感知算法 導航算法? 理解為無人機的大腦。

?一般是運行的系統：LINUX的 Ubentu??

下圖的 價格較貴? ? 一般也可以使用 樹莓派來進行開發

USB攝像頭：

可以進行視覺識別 和 感知 的任務

雙目相機/激光雷達：

感知環境、進行地圖的構建

光流傳感器：

為無人機做 簡單 的定位?

追蹤相機：

在 復雜 的環境中為無人機 進行 定位

5.螺旋槳

螺旋槳 一般有 4個數字 前兩位 代表 螺旋槳直徑? 后兩位 代表 螺旋槳 螺距 （單位 英尺）

APC1045? ?直徑10英尺? 螺距 4.5英尺 （1英尺=2.54cm）

把 順時針旋轉的 叫 逆槳? （帶R）

把 逆時針 旋轉的 叫 正槳（不帶R）

無人機的結構?：

無人機：整體由機架構成 加上 飛控、機載電腦、電機、電池、傳感器 就形成了 自主無人機

無人機設計方法：

當 得到一個任務 該如何根據該任務分析 對硬件進行選型 并搭建無人機呢？

1.根據應用場景要求 選擇傳感器

?如果需要高精度地圖—— 搭載雷達 獲得高精度點云 從而建立高精度的地圖

簡單的避障 —— 雙目相機 提供的 深度圖 就可以勝任

需要外部定位—— 雙目相機運行視覺慣性里程計、雷達來運行雷達慣性里程計

視覺識別 —— USB攝像頭就行

2.根據負載續航選擇機架

軸距越大的機架負載越大、續航越長 在滿足 續航和負載的情況下 盡量要讓無人機 小 來保證無人機的 機動性

3.推質比 選擇動力套件

推質比越大 就需要越大的KV值電機? 或 電壓越大的電池? 沒有推質比要求 則選擇機架相配套的搭配

4.根據算法算力的要求 選擇機載電腦

如果有視覺識別的要求 —— 需要運行 神經網絡 可以選擇? （沒聽懂 第二節 14分50S）

如果有比較高的 CPU算力要求 —— 大疆的妙算?

經典案例 1：未知環境的自主飛行無人機

首先 分析應用場景：在復雜環境中 高速 自主 飛行 的規劃器? ? 無人機在未知的環境中進行穿梭。

雙目相機 ：無人機需要在 復雜的環境中進行導航 并且需要建圖 且沒有外部定位??

Q250機架：無需搭載過多的傳感器 飛機起飛重量不大 選擇最常見的 250mm的機架就可以了

推質比： 在這個任務中 無人機需要進行較高速度的飛行 可以選擇 KV值比較大的電機 來提供更高的推質比

機載電腦：妙算? 因為需要運行比較 占用CPU算力的視覺慣性里程計

最后設計一些結構件 來連接各硬件 調試飛機 就能得到一篇 國際頂級期刊的 所需的無人機

?經典案例2：空地兩用無人機

任務要求：在復雜環境中 切換 空地運動 模式的 無人機 并要求無人機 盡可能的小型化

應用場景要求： 無外部定位，需要建圖 ——雙目相機

續航至少 8min? 負載約為600g ——200mm機架

推質比：無需高速飛行 但對續航有要求 —— 比較節能的F2203.5 KV2850+4寸槳

?需要運行視覺慣性里程計? 但需要小型化? ——Xavier NX

經典案例3：

?無人機軟件架構

一臺自主導航無人機 的 軟件? 主要由以下幾個部分組成

首先 需要運行 定位算法? 如果使用 視覺傳感器 則運行視覺慣性里程計? 如果使用雷達傳感器 則運行雷達慣性里程計??

獲得定位后? 結合 雙目攝像機的 深度圖 或者 雷達的點云數據 就可以開始建圖了

建圖完成后? 就可以進入 運動規劃層面?

主要分為前端和后端

前端：主要進行 路徑搜索 和 路徑采樣 來獲得一條可通行的路徑 但不一定滿足動力學約束

后端：在前端提供的 粗糙路徑 基礎上 根據各種方程對軌跡進行優化? 從而使軌跡光滑 并且滿足 事先設定好的條件?

最后 控制器 接收到軌跡? 將軌跡上的點 轉化為控制指令 發送給 飛控 完成飛行?

無人機算法

系統的控制和架構：

無人機的 位置控制、位置 和 速度? 是在上層電腦里控制的 會產生雙層的級聯控制器 會產生 推力和姿態 或者? 推力和角速度的? 控制信號? 這是一個 設定值 這個設定值 給到飛控 剩下的交給飛控。

飛控完成的任務 只有 對 推力和姿態的跟蹤? 其他的什么都不管

整個系統架構：?

?傳感器 的 結果 給 感知和定位? 分別用于 建圖和定位 （無人機知道自己在哪，知道要去哪）

然后規劃模塊 根據周圍的環境長什么樣 以及無人機要去哪和 自己在哪 計算出一條軌跡

軌跡怎么給控制：? 軌跡和控制的必然聯系是什么 ？？

沒聽懂? 大致就是? 給個 點 然后 解算 位置和速度分別是外環和內環 設定值信號 然后 在控制器里構成一個負反饋