用ardupilot 做无人船项目的总结

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用apm做无人船项目，前后一共两年，无人船主控的自动巡航精度与船的整体性能基本稳定，IPD小批量（业务量小，小批量足以）。下一代无人船系统框架刚讨论出来，项目成员由于各种原因，散了，还是挺怀念当初一起抬船去河边的时光的…不扯了。。。。。。

无人船项目的简介
目前市面上大多数的无人机公司采用px4或apm来做的。这几年水务场景的应用越来越广泛。总体来说，做无人船的公司不多。本人介绍无人船项目最初是用于测绘市场的，简单来说就是 用无人船代替以前的人工船测量水深，绘制地形图。该无人船还上过两次央视新闻，也算是不辜负这两年的付出，哈哈。 期间，还和某通信公司合作了一个用无人船水质检测的项目。也拓宽了无人船的应用场景。

ardupilot
无人船能找到的知识比较少，涉及到的路径规划，gps+惯导等等，如果从0开始写，工作量将无比巨大。还是用开源的项目来做，进度快一点。尽管如此，还是花了两年才小批。。。。。。

思路：无人船和无人车差不多，将4个轮子换成船用的动力装置。所以借鉴 apmrover代码分支，编译，环境，代码分析，仿真等等

1：代码用git管理的，百度一下，git的简单使用就可以了。想详细了解的，可以看git权威指南这本书。 2：本人是使用ubuntu的，相对而言，在ubuntu下的编译比windows快。u buntu怎么装可以百度，帖子很多。 3.阅读代码本人是用sourceinsight，在ubuntu下，装wine，然后就可以使用 sourceinsight了，也能百度的到。 版本说明：用的是apmrover3.1.2的版本，当时的稳定版。 4.如果你是ubuntu，安装环境apm已经写好了脚本，tools/scrips/install-prereqs-ubuntu.sh，执行这个脚本即可。注意。会报错pip2没有安装，将脚本里的pip2改成pip即可。

系统组成
无人船的系统分为船体，主控，动力，船整体通信系统，功能传感器，上位机，，遥控器，电池。

船体

船体，国内做船模具的也不少，可以尝试联系搞一个。 主控 刚开始谁也不知道怎么做，只能说摸着石头过河，既然要采用别人的软件， 就不妨用pixhawk来做主控，搭一个无人船的样船。官网能找到硬件的原理图。一开始不建议直接画自己的硬件，前期验证，还是用官方的pixhawk来采坑吧。

动力系统
动力系统一般分为两种设计： 1.舵机加电机的方式。阅读源码可知，apmrover的控制方式是舵机加电机，舵机和点击的驱动方式是pwm。 2.差速转向。差速转向就省了一个舵机，举个例子，左边转速比右边快，不就右转了吗。但是差速转向受船体结构的影响，太长的船，转向会不灵敏。 3.动力部分代码的分析，以及差速转向的修改思路后续会开一章节。

船整体通信系统
无人机飞控上一般的通信是通过数传模块，可以理解为主控将数据传给数传模块，数传模块在传给电脑上的上位机（反之一样）完成数据的传输和控制。刚开始无头绪的时候也可以采用数传模块做样船，先完成基本通讯，后续在优化。我们刚开始也是数传模块，但是数传模块的带宽不够，传摄像头的数据会很卡。在样船完成后基本上就可以考虑，通讯系统的优化了。思路可以有很多种。举例系统集成，用串口服务器+网桥（900m或者5G）+交换机的形式组成局域网，完成通讯系统。。。。。面对不同的应用场景，也可以采用4g的通讯方式。

功能传感器
功能传感器根据实际的应用需求添加，最基本的gps+避障模块+摄像头在加上你的应用场景的，比如测绘的，就加上单波束，多波束。水质的就加上你的水质仪。传感器的选型需要花点功夫，，因为作为一个船上的模块，你的避障得装在船头吧，船头离主控的距离可有有个一两米。需要注意。 1.gps的选择看系统对于定位精度的要求而定。精度要求不高的选择ublox模块，几百块钱。精度要求厘米级的就得采用rtk了，国内的rtk华测，中海达，南方，司南，国外的就是天宝。 2.避障模块：可以采用的是超声波maxson啊，美国进口的，晶度和稳定的还可以。就是距离受限制，10米。你也可以选择距离远一点的激光雷达。就是好一点的雷达价格比较贵，国内口碑比较好的禾赛和速腾 。（团队散了后，本人还去禾赛面试，可惜太菜了，没通过。） 3.摄像头：摄像头还是推荐使用海康威视的。 4.如果做水质检测的，水质仪推荐使用哈希的。

上位机
上位机采用missionplannner。apm官方的开源的上位机软件，主要是和无人船的主控建立通信，可以加载地图，不知无人船的航线，控制无人船的执行自动巡航模式，等等。负责和无人船的交互。

遥控器
加遥控器可以大大的增加用户体验，一开始玩船，玩飞机，不要太开心。 遥控器分为日本手，和美国手，遥控器的牌子一般两种，国内的推荐frsky ，还有一个futuba的。

主控
pixhawk有2个imu，九轴的mpu9250，还有l3gd20 ,lsm303d +uboxl里的磁力计一般是hmmc5883，新版的ublox磁力计是icm20948.组成2个imu。 pixhawk上还有sd卡用来存日志，蜂鸣器，串口，iic，can等接口。方便你接各种传感器二次开发。 新出的pixkawk2将imu，fmu和电源底板分离，imu做了减震处理。 对于pixhawk不多做介绍了，用原版的硬件只是用来验证，做产品，接口的扩展性等等不是很合适，肯定是要自己做硬件的。

电池
电池一定要找好一点的电池厂商，质量太差，会爆炸。一点要注意。

样船
准备好上文的系统组成还还有一些配件后，就可以着手搭建自己的样船了 ，搭建自己的样船，前期只能自己飞线。思路就是围绕着pixhawk，将他的一些接口飞出来，需要加长的加长，需要转换的转换，固定的固定。代码的烧录看了官方的文档就知道了，可以用usb烧录,我们选择的pixhawk对应的是 make px4-v2-upload 烧完代码上电如果蜂鸣器有清脆的一段音乐，就说明程序跑起来了。要做好遥控器的匹配工作。遥控器将pwm传给主控，主控在输出给电调和舵机。注意正反转的设置。 配置好之后，现在室内试一下，遥控器等等。然后再外出下水测试。 下水之前要注意个传感器的状态，准确的说看ekf滤波器的状态是不是可用。初次的使用，还是下水先试一下，手动模式，测一下，船的动力系统和遥控器的性能。然后在开始早missionpalnner上调试参数。在前期样船准备的时候你的外界传感器要工作，就需要设置一下波特率，用法等等。ekf的一些参数也需要微调。系统才能起来。传下水之后，ekf如果没问题。就可以自动任务了。自动巡航的轨迹，就需要控制调试了。可喜的是，apm将pid等控制参数，做成可调的形式，供用户调试。初期的项目还是用apm自己的pid，可调的控制参数，推广性不是很好，后期最好加入自适应的调参。 在样船的基础上开发调试基本的避障，数据处理等等产品功能，前期的耗时 可能比较艰苦。一方面既需要开发功能，一方面前期的样船稳定性不好，各种东西易损，还得在河边调试。。。。。。。

硬件制板
样船功能差不夺得时候，就是做自己硬件的时候，先找到官方的开源原理图。根据自己的需求增加。各个公司规范不一样，pixhawk上的传感器，大部分比较旧了，不是新料，会停产的，基本会跟换掉，当时的mpu6000，换mpu9250，l3gd20换成l3g20h等等。 硬件回来基本上都会遇到一系列的问题，慢慢解决即可。

这时候功能基本上就差不多完善了。接下来就是一些系统上的性能优化。 中途舵机的料停产，更换舵机，电流翻了一倍，板子重新改版，新增了spi转串口的芯片等等。

软件优化
软件上做的事情也基本上回顾一下吧。 1.mpu9250，l3gd20h的更换调试。 2.避障停止时间与响应的优化。 3.ublox的icm20948调试加入 4.iic电池的电量检测。跳动处理，与低电量返航发，报警的处理。 5.ublox，rtk双gps的冗余设计。以及rtk从固定跳浮动的处理等等。 6.桥洞不收星ekf的优化。 7.自动巡航，入线的优化。 8.自定模式的遥控器映射。 9.水质仪的数据采集处理及mavlink消息传输 10.测深仪的数据接入主控处理，dep文件格式的采集处理。 11.数据的下载处理。 12.gps位置与测深数据的不匹配的后处理（插值算法） 13.adi惯导模块的接入与数据融合。 14.ekf磁力计数据的去除（产品量产时，罗盘数据的易干扰性暴露出来，为此采用单天线的gps的航向数据融合，本来准备在下一代采用rtk双天线的方案，但是项目进度要求，只能先用单天线，先满足市场需求） 15.系统数据的延时处理。 16主控板接口的自动化测试脚本。 等等其他。

平台迭代
stf4系列做的主控平台，水质的应用场景一展开，串口就全用完了。打出来的固件也越来越大。后续的业务功能开发扩展已经不合适。为此有两种思路。 1.将apm一直到linux平台上，一开始考虑的imx6上，后来无意中逛帖子发现阿木实验室已经将飞控移植到imx6上了，不知道性能如何。 2.单片机加imx6的方式。考虑到主控的实时性要求。还是不移植到imx6上了。采用f4加imx6的方式，主控控制部分的还放在f4上，业务处理扩展的部分放在imx6上。 3.之前的罗盘处理部分，一开始定的方案是双天向的定向方案，由于已到小批量阶段，暂时采用单天线的gps航向融合。此方法的弊端就是下水后需要手动跑一条直线，获取航向，让ekf工作，影响用户体验。双天线的话，开机就有方向输出。之呢个作为下一代的改进了，百度apollo3.5发布的时候有一个亮点突出，就是双天线的航向获取。当时还高兴了一下，英雄所见略同。如今在逛一下a’pollo，发现已经5.0了，而且限定区域量产，不得不佩服。 4.gps位置和水深位置同步的问题。暂时的解决办法是插值处理。本质上是主控和采集的水深一起时间不同步的问题。平台迭代是需要加入数据的时间戳处理。

总结
ardupilot的代码还是非常好的。ekf，ahrs，等等，每一个模块，都是一个工程师的工作。虽然笔者都涉及了，但是都不精。 写此系列的博客，仅代表个人理解和分享总结，有不足之处，希望您提出来。帮助我成长。更重要的一个原因是开始做Linux驱动了，再不写下来记录一下，就忘光了。加油！！！！！！
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