自动驾驶

无人机的自动驾驶AutoPilot可从三个场景来理解：

1. 指定目的地后让它自己飞过去，且可以指定途经点，整个流程即执行航线规划。这些点是三维的，即经纬度+海拔高度。

1. 在水平面方向飞行时保持高度

1. 让它悬停

第一个场景相对好理解，三维点只是比起日常用的高德地图多了高度这个维度。由于地球是个球体，当两个地球表面的点足够远时，例如广州和纽约，我们难以应用“两点之间直线最短”的方案来直接过去，因为不可能穿过地底。所以飞过去时无人机需要不低于一定高度，不能坠毁，然后才是像看平面地图一样按二维的经纬度计算不断靠近目标。

此时就需要结合第二个场景“保持高度”一同考虑了。无人机怎么知道自己的高度呢？靠这些部件。

1. 气压（高度）计，得到海拔高度，即距离海平面的高度。不同海拔，气压强度是不同的。在三千米范围内，每升高12米，大气压减小大约133帕。

1. 超声波传感器，在离地表5米内时，它的精度最高，得到的是离地距离。原理就跟雷达一样，发射超声波并接受反射，通过收发时间差和声波速度得到距离。

1. 光流传感器。它配有摄像头，通过对比运动过程中的图像变化，得到不同方向的位移速度，再通过一定算法得到粗略的位移量。它应用了机器视觉（computer vision），原理可理解为类似于光学鼠标。

无人机会通过算法综合各种部件的数据来评估高度，并非靠单一部件。

自动驾驶的第三个场景“悬停”，就是俗话说的“不动”，但空中的“不动”需要考虑重力和风力。自动驾驶能让人不操控的情况下，保持经纬度和高度不变，也就是通过控制自身姿态和电机转速，抵消重力和风力的影响。如果单对抗重力，想人工控制螺旋桨转速来保持高度不变，还是有可能的，但面对不断变换速度和方向的风而言，人的反应速度不足以让经纬度变化幅度保持很小。

总结而言，无人机自动驾驶就是按预期目标自动调整姿态，而这是通过控制各个螺旋桨电机的转速实现的。更具体的场景请参考“飞行模式”一节。

其它部件

• 全球卫星定位系统GPS：在导航和定点时获取相关位置信息

• 加速度计：获取相对于机体坐标系的加速度

• 陀螺仪：飞行姿态感知

• 磁传感器：测量获取磁偏角。指南针，获取机头指向。

• 惯性导航单元：包含加速度计、角速度计（陀螺仪）和气压高度计。不依赖外界信息来定位的导航系统，就是惯性导航。GPS依赖卫星，没信号就导航不了，所以不属于惯导。

• 无线传输，可以是WiFi、4G、无线电、电台

• 主控芯片：接受传感器数据，处理计算后，通过电路控制电机转速。

• 主板：集成所有部件的电路板

• 螺旋桨和电机

• 电池

上文提到的所有部件的集合，即除支撑作用的机架外，整体被称为（广义上的）【飞控】！

地面站

地面站狭义是指PC上的Mission Planner或QGroundControl这两个软件。广义上则是个形象的称呼，所有在地面能遥控飞机的东西都算地面站。因为具有控制功能的代码做成了SDK可以集成到任意App上，所以实际上的地面站可以有很多种。主要功能有：无线电通信、航点规划（mission）、日志读取展示分析、地图、手柄控制等。

遥控器

无线电遥控器也是一种地面站，只是只有单纯的控制功能。遥控器的4个必备操作是控制无人机的偏航yaw、俯仰pitch、横滚roll和油门throttle。油门即电机转速，体现为飞行速度。yaw+pitch+roll三个角度值一起构成描述了无人机的姿态attitude。

【点击】=>pitch yaw roll是什么

飞行模式

这节对理解无人机操控较重要，请看参考资料。【点击】=>ArduPilot飞行模式介绍

列表式汇总： 飞行模式介绍。

切换到自动模式并解锁，如果飞控内保存有mission就会执行航线。

接口与协议

MAVLink，请参见第五章MAVLink协议和Java库 。

其它非无人机特有的总线、协议、接口，有CAN、串口转USB、数模转换等。

综合加深认知

请快速浏览一下这篇文章，可对前述内容加深认识。【点击】=>APM飞控完全教学指南

还有 飞控的职责和实现原理简述。

控制算法

这些算法都用于处理各种传感器的输入数据，从而得出对电机的调整数值，进而控制无人机姿态。

请看现成资料了，数学学得好的话这不算难：

• 卡尔曼滤波算法EKF，https://baike.baidu.com/item/EKF/9375021

• 比例-积分-微分算法PID，https://baike.baidu.com/item/PID%E7%AE%97%E6%B3%95/4660106

• 方向余弦矩阵，https://zhuanlan.zhihu.com/p/270608927

• 曲线航线的算法——两点三次埃尔米特（hermite）插值算法，https://blog.csdn.net/BreederBai/article/details/98208325

编程语言

MAVLink的基础库生成是用python。飞控固件都是C++，有shell和lua脚本。Mission Planner是C#，QGroundControl是Qt C++。

参考资料

• 四旋翼飞行器6——光流传感器简介。这篇文章里有实物图

• 【UAV】光流传感器原理分析及讲解

• 光流估计——从传统方法到深度学习

• 看看无人机如何自动保持正常飞行姿态