Pixhawk飞控在无人机中的应用研究

卢孟常

（贵州航天职业技术学院 贵州 遵义 563000）

1 引言

Pixhawk系列飞控一经推出就广受好评，这主要得益于其硬件和软件完全开源且功能强大，无人机设计公司和无人机爱好者可以来做应用研究和二次开发。因该飞控系列产品还在不断推陈出新，性能在不断完善，在利用软件进行调参时，相对其他飞控产品较复杂，易出现无法解锁、调试失败的情况，这就需要使用者对飞控的应用功能和调试故障进行深度分析、总结发生问题的成因，针对以上问题，本文做了一定程度的归纳和总结。

2 Pixhawk飞控简介

目前市场上的无人机飞控品牌繁多，比如：大疆、零度智控、极翼、APM和PIX（Pixhawk）等，其硬件结构基本都集成了陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS、气压计等，这些传感器与飞控的MCU以及伺服机构控制单元共同配合控制，保证了无人机飞行姿态的稳定。Pixhawk飞控是著名飞控厂商3DR推出的新一代开源、高效的飞行控制器[1]。功能上支持多旋翼、固定翼和直升机等多种无人机型，配合Mission Planner地面站软件使用，可以完成对飞控的在线烧写固件、调参，使用无线数据传输系统建立地面站与自驾仪之间的通信，构建了一套无人机自动控制系统[2]。Pixhawk飞控的前身是APM飞控，后面通过传感器和主控芯片的升级推出了PX4，在PX4的基础上又推出了Pixhawk。Pixhawk的飞行控制器采用的是双处理器结构，即由一个主处理器和一个备用处理器构成，这样设计的好处是当主处理器出现异常死机，备用处理器可以接管过来继续正常工作，极大地保障了系统的可靠性和稳定性。

3 Pixhawk飞控调试

Pixhawk飞控的调参与地面站航线规划所采用的是Mission Planner（以下称MP软件）软件，它是一款多功能无人机地面站专业软件，在Windows系统下运行。可以为固定翼、旋翼机和直升机等多种无人机飞控提供参数配置或动力学控制。此外MP地面站软件还具有以下主要功能：通过地图进行航线规划完成自动任务、下载及分析任务记录、提供无硬件下的飞行模拟器连接、监控飞行器状态，记录电台传递数据等。若想实时获取无人机当前的飞行数据、轨迹和状态，还需在无人机飞控和电脑端各连接一个无线数传电台，即在天空端和电脑端安装一对数传模块。

首先，用USB数据线将飞控与安装有MP地面站软件的电脑连接上，打开软件MP软件，建议采用“AUTO”（自动）模式来连接飞控。在调试之前，建议将飞控、GPS模块、电调、接收机、蜂鸣器、安全开关等无人机硬件全部接上，将电机螺旋桨和动力电池处于拔除状态，其基本调试步骤如下：

3.1 机架类型选择

在MP软件的“初始设置”菜单中，打开“必要硬件”选项，单击“机架类型”，选中“Frame Class”中与实际无人机机架相符的图标，然后在“机架类型”中选择与实际机架一样的选项。

3.2 加速度计校准

加速度计校准即三轴加速度计/陀螺仪的调试。在加速度计校准中有“校准加速度计”和“校准水平”两项内容。首先进行加速度计校准，根据提示摆放无人机逐一点击“完成时点击”按钮进入下一步。提示“Please place vehicle LEVEL”，无人机水平箭头方向指向自己；提示“Please place vehicle LEFT”，将无人机向左摆放，即箭头指向自己，左侧向下转90°，与地面垂直；提示“Please place vehicle RIGHT”，将无人机向右摆放，即箭头指向自己，右侧向下转90°，与地面垂直；提示“Please place vehicle NOSDOWN”，将无人机向下摆放，即箭头指向地面，与地面垂直；提示“Please place vehicle NOSEUP”，将无人机向上摆放，即箭头指向上，垂直与地面；提示“Please place vehicle BACK”，无人机倒过来，上面朝下，水平摆放。

水平较准：根据提示将无人机水平放置，点击“校准水平”，注意不要移动无人机，等待一会，就会提示完成。

3.3 指南针校准

指南针（罗盘）校准是飞控校准至关重要的一步，无人机在自动驾驶模式中的定位信息来源于此，Pix飞控支持连接三个指南针（飞控内部一个，外部可装二个，一般外部只装一个）。调试前，先确保外部指南针已安装连接好，指南针的箭头方向与飞控板箭头指向的位置要指向同一方向，且在调试过程中飞控与指南针不要发生位移，否则会出现不同步而导致飞行姿态发生偏移。在MP软件的“初始设置”菜单中，打开“必要硬件”选项，单击“指南针”，在弹出的调试界面中，按需要设置指南针选项（一般采用默认），点击“开始”按钮，开始旋转无人机，把每个角度都旋转到位，观察界面的两个进度条，mag1是GPS外部罗盘，mag2是飞控内部罗盘，待两个进度条都达到99%后显示数据表示校准成功，之后飞控要断电重新连接地面站。如果进度不再增加或听到两声失败音，点击“取消”重新校准，若是不能，则重连飞控。

3.4 遥控器校准

调试前，先确保遥控器与接收机已对码成功，接收机与飞控已连接好，遥控器的各个控制通道（包括三段开关）与中立都已在遥控器上设置完毕。打开遥控器开关，在MP软件的“初始设置”菜单中，打开“必要硬件”选项，单击“遥控器校准”。此时会弹出一个对话框提示你确定打开了遥控器、电池没有连接、螺旋桨没有安装，点击“OK”后进入下一步，此时在遥控器上拉动所有通道的控制杆和拨动开关的行程极限，观察无线校准条上红线的位置，即最大值和最小值。点击“完成”按钮，此时会弹出一个询问是否全部校准完的对话框，点击“OK”后弹出对话框显示校准数据的信息，校准结束。

3.5 飞行模式设置

打开“必要硬件”选项，选择“飞行模式”。打开遥控器，拨动SWG三段开关，可以看到对应的飞行模式会呈现绿色。设置的飞行模式选项有： PosHold（定点）、 Loiter（悬停、留待）、AltHoLd（定高）、RTL（返航）、Stabilize（自稳模式），选择好需要设置的模式后，点击“保存模式”即可。

3.6 故障保护设置

打开“必要硬件”选项，选择“故障保护”，在界面的右侧将电池的报警最低电量和电池容量设置好，再设置故障保护类型，有Enabled always RTL（总是返航）、RTL（返航）等几种模式可供选择。

3.7 电池监视器

电池监视器主要用来对电池的电压电流消耗情况进行监测，获取低电量警报。在“初始设置”菜单中的“可选硬件”中点击“电池监视器”，在弹出的对话框中填入电池的实际信息，注意在“校准”选项栏中，只需填写“测量电池电压”一栏，采用万用表测量电池的实际测量值填入即可。

3.8 电调校准

此为飞控调试的最后一步，也最需要注意安全。校准前，请确保无人机上没有安装螺旋桨，数据线没有连接在PC端，接收机与飞控已连接良好。首先，打开遥控器将油门杆推到最大值保持不动（如果遥控器是油门回中的，需要有一人拉住油门杆）接上动力电池，等待一会LED灯循环亮毕，迅速拔掉电池，此时保持油门依然为最大值不动。接着，长按安全开关待其常亮，待电调发出“滴滴”几声后，迅速拉下油门杆到最低位不动，随后发出一声长音，表明电调校准已完成，当缓缓抬起油门杆时电机转速也应随之提高，最后，将动力电池拔掉后重新上电，整个调试完成。若重新上电后出现红绿蓝灯交替闪烁、蜂鸣器急促鸣叫情况，则需要重新校准。

4 Pixhawk飞控故障分析

使用者在进行飞控调试时，常常会因为硬件安装不规范、连线松动、固件未升级等原因导致的故障比较多，这些故障不排除，会使无人机无法解锁或飞行姿态异常而导致炸机，Pixhawk飞控板上有红、黄、蓝、紫四种颜色的LED指示灯（是一颗可以发出多种颜色光的多彩LED灯），可以方便使用者通过观察LED灯的颜色、同时结合飞控板所接蜂鸣器发出的鸣叫声来判断故障现象。首先来了解一下LED灯颜色与蜂鸣器鸣响声的含义，见表1。

表1 指示灯与飞控状态对照表

此外，可以通过观察安全开关自带的LED灯闪烁情况分析飞控系统情况，其含义如下：

（1）LED灯持续快速闪烁：系统初始化自检中，请稍等；

（2）LED灯间歇闪烁：系统就绪，长按安全开关按钮解锁系统；

（3）LED灯常亮：安全开关已解锁。

下面分析一下Pixhawk飞控调试中容易出现的典型问故障。

4.1 无法解锁故障

此故障是出现最多的一种，无法解锁的原因也各不相同，总体说来多是因为调参不正确和硬件连接错误引起的，一般我们可以通过查看MP地面站软件飞行数据窗口上端的英文提示来分析原因，其中英文故障对照如表2所示[3]。

表2 HUD界面显示与故障原因对照表

11 Baro not healthy 气压计出现故障，可能是气压计损坏。12 Alt disparity 气压计读数有差异。不要移动飞行器。13 INS not calibrated 加速计没有校正，需要校正加速计。14 Accels not healthy 加速计出现故障，可能是加速计损坏。15 Accels inconsistent 加速计出现读数不一致。16 Gyros not healthy 陀螺仪出现故障。17 Gyro cal failed 陀螺仪校正出错。18 Gyros inconsistent 两个陀螺仪读数不一致，检查外部。19 Check Board Voltage 检查飞控供电电压是否过低。20 invalidTHR_FS_VALU 遥控器失控保护。21 Bad Gyro Health 请重刷固件。

除了在地面站调试过程中因参数设置与调试方法不当引起的，还有一部分是其他原因导致的，下面分析一下。

4.1.1 飞控板接插件接触不良。Pixhawk飞控板与外部电路是通过十几个排插座连接起来的，这种排插座的优点是拔插便捷，方便更换，而缺点是极易造成接触不良，因此在调试飞控和正常飞行前都要检查好排插线是否松动、接触是否紧密，接触点是否有氧化等问题。事实上，导致调试失败很大概率是某一接插件接触不良引起的，而无人机在正常飞行过程中若出现接触不良时，会直接导致炸机。因此，为了保证后期使用的可靠性，可在飞控调试结束后，用硅橡胶涂覆到接插件上，待胶水固化后可有效隔绝空气并防止松动，其实，最有效的方法就是直接焊接上去，但后期更换元件时会比较麻烦。

4.1.2 飞行模式切换不正确。先确定加速度计校准、指南针校准、遥控器校准和电调校准等各部分的校准都是按调试步骤进行并成功完成了的。有时飞行模式未设置正确也会导致黄灯双闪无法解锁，我们可以通过来回切换“定高”“定点”和“返航”等三种飞行模式的方法有时也能恢复正常。

4.1.3 固件下载版本不对或未升级。在做了重新调试和检查硬件都无法解决的情况下，就要考虑是否是固件版本不对或没有升级的原因了，固件升级有自动和手动两种方式，自动较为方便，在MP软件中单击菜单的“初始设置”，选中自己所需的机型就可以自动升级固件了，但有时会出现自动升级失败问题，这时可以到官方网站上去手动下载，再从软件中导入即可。

4.2 飞行姿态异常

4.2.1 飞控减震措施不良。在安装飞控时，一般是通过一个弹性减震胶垫固定在机架上的，可以起到很好的减震作用，飞控内部的加速度计传感器和陀螺仪采集无人机当前的飞行姿态数据反馈到飞控中央处理器中进行运算，因此对飞控的减震保护非常重要。若将飞控用胶粘死在机架上，会使飞控因无减震缓冲而导致无人机飞行姿态异常。

4.2.2 外部指南针松动。在做加速度计和指南针校准之前，应确保指南针已紧固在机架上不会松动，若无人机在飞行过程中指南针发生位移，极有可能导致无人机飞行姿态异常发生侧翻。

4.2.3 电调与飞控连接线序错误。飞控与电调连接时要按对应的接口连接起来，哪怕其中一组接错都会导致无人机瞬间侧翻，这点与装错螺旋桨的后果是一样的，检查无误后，请重新校准电调。

4.3 遥控器控制异常

遥控器校准好后，其各通道应对应无人机相对的位置。若遥控器校准不正确，会使飞控接收混乱指令导致控制异常。

4.3.1 在地面站软件中重新校准遥控器，同时检查遥控器通道输出设置、舵杆的中立位置以及行程量等关键参数，有些遥控器参数设置较为复杂，建议对照使用手册进行逐项设置。

4.3.2 先检查遥控器接收机与飞控的接口接线是否正确、各通道输出与飞控接线是否有错接、漏接。

4.3.3 以上都不能解决的话，可以将遥控器与接收机重新对频，或者更换接收机试一下。

4.4 GPS定位异常

4.4.1 请先确认遥控器是否切换到了定点（PosHold）模式。无人机只有在定点和悬停（Loiter）模式下才可以实现精确定位，但有时因为天气原因或地理位置的影响，GPS信号不好，在GPS模式下无法解锁，而在定高(AltHold) 模式下则可以，有可能是操作者误切换了模式导致，可用定高模式解锁后再切换回去即可，当无人机在出现姿态异常时，通过来回切换飞行模式有时也可恢复正常。

4.4.2 GPS信号差。受天气影响，比如雨雪天气，或周边环境影响，高大建筑或树木遮挡等，GPS信号不好导致无人机定位不准而出现漂移。根据GPS的定位原理，当卫星数量大于等于4颗时，地面的GPS接收机才可以产生定位信息，卫星数目越多定位越精准，因此请尽量在开阔地操作无人机。

4.4.3 指南针松动或没有校准。指南针松动会导致定位不准，检查指南针支架是否松动、指南针的箭头与飞控的箭头指向是否一致，核对紧固后重新校准指南针。

4.4.4 遥控器未校准。在进行遥控器校准时各通道没有对应相应的位置，飞控接收的指令混乱而导致定位异常，重新校准遥控器可恢复。

4 结语

作为一款性能优良的全免费开源飞控，Pixhawk飞控拥有巨大的商业开发价值，设计一款高性能的飞控耗费巨大，很多无人机研发企业都选择使用Pixhawk开源飞控并进行二次开发创新。本文重点阐述了Pixhawk飞控的调试操作步骤、注意事项和出现的各种典型故障分析，希望给Pixhawk飞控使用者提供一定的帮助。