基于Pixhawk和ROS搭建自主无人车（一）：底盘控制篇

参考

• ArduPilot Development
• 超维空间科技
• 乐迪MiniPix车船使用说明书

1. 硬件篇

1.1 底盘构成一览

1.2 底盘接线示意

2. 软件篇

2.1 APM 固件下载

• pixhawk 是硬件平台，PX4 是 pixhawk 的原生固件，APM（Ardupilot Mega）是硬件平台，Ardupilot 是 APM 的固件（也称 APM 固件），APM 固件支持硬件更多，无人车平台推荐使用 APM 固件
• 本文使用 pixhawk 1 代硬件平台，因此下载的是 fmuv2 的固件（pixhawk 2 代则对应下载 fmuv3 固件）
  • 下载地址：https://firmware.ardupilot.org/Rover/stable-4.2.3/fmuv2/
  • 进入上述链接后只需下载 ardurover.apj 文件

2.2 Mission Planner 地面站设置

• 1、加载已下载好的固件

  • 首先用 USB 线将 pixhawk 连接到电脑，然后点断开连接，进入 “安装固件 Legacy” 中选择加载自定义固件，最后加载 2.1 小节下载好的 ardurover.apj 文件即可
    

• 2、加速度计校准、指南针校准和遥控器校准按照提示操作即可，这里不再赘述

• 3、适配差速底盘参数修改

  • 由于下载的固件默认车型是阿克曼转向（电机加舵机）的，因此针对差速转向的底盘需要修改参数：Position 1 设置成 ThrottleLeft（左轮），Position 3 设置成 ThrottleRight（右轮）
    

• 4、设置遥控器切换 pixhawk 控制模式

  • “当前 PWM” 后的 5 代表遥控器当前所处通道（可通过全局参数表中 MODE_CH 参数修改），0 表示当前对应的 PWM 值
  • 建议设置遥控器三段控制模式分别为：Hold 停车模式、Manual 手动模式和 Auto 自动模式
    

• 5、设置遥控器解锁和加锁

  在解锁之前，通常应该等待 pixhawk 状态指示灯变成闪烁蓝色（如果只打算使用手动模式）或闪烁绿色（适用于所有其他模式）

  • 解锁方式一：从遥控器操纵杆上解锁
    • 确保小车处于停车 Hold 模式，先将油门杆推至中点（0），然后将横滚转向摇杆完全打向右边（或左边），然后保持 2 秒，当 pixhawk 状态指示灯为蓝灯或者绿灯长亮，则代表解锁成功
  • 加锁方式一：从遥控器操纵杆上加锁
    • 首先确保小车处于停车 Hold 模式，先将油门杆推至中点（0），然后将横滚转向摇杆完全打向左边（或右边），保持 2 秒，当 pixhawk 状态指示灯为蓝灯或者绿灯闪烁，则代表加锁成功
  • 解/加锁方式二：Mission Planner 地面站界面解/加锁

3. 补充内容

3.1 控制模式介绍

• 停车模式 Hold Mode

  • 在停车模式下打摇杆时，车不会响应，并保持停止状态，车轮指向前方
  • 停车模式常用于解锁跟加锁，因为在停车模式下，摇杆解锁跟加锁时，电机和舵机不会响应
  • 这个模式还可以起到失控保护作用，及时停车以防止车被损坏

• 手动模式 Manual Mode

  • 在手动模式下，遥控器的转向和油门杆直接控制车辆的油门和转向输出，没有 PID 参与控制
  • 此模式不需要位置估计（即不需要 GPS）
  • 建议始终将一个遥控器模式开关位置分配给该模式
  • 在手动模式下，油门的变换率由 MOT_SLEW_RATE 这个参数来限制。该参数默认为 100，即油门可以在 1s 内从 0% 到 100% 变换；设置成 0 的，油门的变换率不受限制

• 自动模式 Auto Mode

  • 在自动模式下，车会按照预先设置好的航点或者任务进行自动行驶，不需要人为手动干预。这些任务航点主要包括：自动行驶的航点、到达航点后触发的动作等
  • 自动模式需要良好的 GPS 定位才能切换进去，所以在解锁和起飞之前必须让 GPS 定位，可以通过查看 pixhawk 状态指示灯和 GPS 的 LED 灯来确认

• 引导模式 Guided Mode

  • 在引导模式下，用户可以通过 Mission Planner 地面站手动控制小车行驶
  • 首先，通过数传模块连接飞控；然后，在 “飞行数据” 主界面的地图中，移动鼠标到指定的位置，右击鼠标，选择 ”飞行至此 ”；此时，小车会切换为引导模式，并朝向指定的点行驶；一旦到达目的地则停车

• 返航模式 RTL Mode

  • RTL 代表返回到解锁的位置
  • 切换到 RTL 模式后，车辆将转弯并尝试直接返回到上次解锁的位置（除非从地面站修改了家的位置，否则会返航到最新解锁的位置）
  • 一旦车到达返航的位置时，它会保持在当前的位置
  • RTL_SPEED 参数用于设置车的返航速度（m/s），该参数默认为 0，此时车的返航速度由 WP_SPEED 决定

• 智能返航 SmartRTL Mode

  • 和正常的返航模式一样，车会返回到家的位置，但它能原路返航，而不是直接朝着家的方向返航，所以智能返航在返航过程中，会自动避开遇到的障碍物，并不是直接朝着家的方向返航
  • 如果是车返航到达家的位置时，会停车并切断所有动力输出
  • 车在解锁时，一定要有良好的 GPS 定位，否则返航时不能切换进智能返航模式

3.2 pixhawk 状态指示灯解析

3.3 安全开关灯解析

3.4 解锁故障解析

• check firmware or FRAME_CLASS：请选择机架类型
• 3D Accel calibration needed：加速度计需要校准
• safe switch：安全开关未关闭，长按至灯长亮
• RC not calibrated：遥控器没有校准
• Baro not healthy：气压计不健康
• Alt disparity：气压计与惯性导航系统的高度不一致超过 2 米以上，这一消息通常是短暂的，当飞行控制器首次插入或如果它接收到一个硬的颠簸发生，如果没有消失，加速度计或许需要校准，或者气压计有故障
• Compass not healthy：罗盘不健康
• Compass not calibrated：罗盘没有校准
• Compass offsets too high：罗盘偏移值太大，也许是附近有金属或者其他干扰
• Check mag field：所感测的磁场在该区域中的磁场是 35%高于或低于预期值，需要重新校准罗盘
• Compasses inconsistent：内部和外部的罗盘指向不同的方向（从大于 45 度），通常是 GPS 外置罗盘放置位置不一致
• GPS Glitch：GPS 故障，当选择的飞行模式需要 GPS 定位，或者开启地理围栏，此时 GPS 没有定位会有此提示
• Need 3D Fix：全球定位系统没有三维固定，当选择的飞行模式需要 GPS 定位，或者开启地理围栏，此时 GPS 没有定位会有此提示
• Bad Velocity：飞行器的速度（根据惯性导航系统）是 50cm 以上的，可能导致这包括飞行器实际移动或被抛起，坏的加速度计校准，GPS 更新在低于预期的 5HZ
• High GPS HDOP：GPS 精度低于高于 2.0，可以在首页查看 GPS 精度实时变化数据
• INS not calibrated：加速度计没有校准
• Accels not healthy：加速度计不健康，可能硬件问题，可能发生在刷新固件没有重启
• Accels inconsistent：加速度计不一致超过 1m/s/s
• Gyros not healthy：陀螺不正常，可能硬件问题，可能发生在刷新固件没有重启
• Gyro cal failed：陀螺仪校准未能捕捉偏移，这个由于启动校准时候移动了飞控，在红蓝闪烁就是校准时刻
• Gyros inconsistent：陀螺不一致超过 20deg/sec
• Check Board Voltage：检查板上电压，应该在 4.3V 到 5.8V 之间，如果通过 USB 供电，请尝试更换端口或者线缆
• Ch7&Ch8 Opt cannot be same：7/8 通道不能设置一致
• Check FS_THR_VALUE：3 通道最低值太接近失控保护值
• Check ANGLE_MAX：控制飞控的最大倾斜角度设定在 10 度以下的 angle_max 参数（即 1000）或 80 度以上（即 8000）
• ACRO_BAL_ROLL/PITCH：acro_bal_roll：参数高于自稳 Roll P 和/或 acro_bal_pitch 参数高于自稳 Pitch P 值