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在ArduPilot旋翼机上安装PX4Flow光流传感器

2023-05-16

在ArduPilot旋翼机上安装PX4Flow光流传感器

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预先要求

在安装和调试光流传感器之前，请先保证：

  1. 旋翼机已经安装、调试完毕，至少可以在Stabilize（自稳）和AltHold（定高）模式下稳定飞行。

  2. 飞控的固件为Copter-3.3或之后的版本。推荐使用最新的稳定版本。

  3. 手上有Maxbotix1403（PX4Flow自带）以外的一款超声波或激光雷达传感器（推荐），或飞控上的6.6V ADC没有被占用（使用PX4Flow自带的MB1403，不推荐）。ArduPilot开发者似乎是在测试中发现MB1403的读数不够稳定，没有支持通过I2C连接至MB1403。因此，只能使用其它型号的传感器，或将MB1403的模拟输出口引出至飞控ADC。

    所有支持的传感器可见http://ardupilot.org/copter/docs/common-rangefinder-landingpage.html#common-rangefinder-landingpage

PX4Flow简介

PX4Flow光流传感器是一款高分辨率的图像传感器，内置3轴陀螺仪，通过分析无人机正下方地面上的可见信息，确定无人机的地速、实现定点悬停。PX4Flow的正常工作需要声呐或雷达的配合，并且可以在GPS信号不良的时候起到替代GPS的作用。

注意PX4Flow自带的Maxbotix1403超声波传感器是不能直接使用的！建议购买不带超声波传感器版本的PX4Flow，同时另购一个超声波传感器。

安装PX4Flow

刷写PX4Flow固件

通常，芯片在出货前都已经刷写了固件。一般情况下，你可以跳过这一步；当然，也可以重新刷写固件以防万一。

  1. 下载PX4Flow固件（源码见此）

  2. 使用micro USB线，从电脑连接到PX4Flow的USB口。打开MissionPlanner，应该可以通过COM口连接到PX4Flow。如果无法正常连接，可能是需要安装PX4Flow的驱动程序。

  3. 选择最上方的“初始设置/INITIAL SETUP”选项卡，选择“安装固件/Install Firmware”，右下角“加载自定义固件/Load custom firmware”，选择步骤1中下载的px4flow-klt-06dec2014.px4文件。之后根据提示进行操作，可能需要你拔下再插上USB线。

    Load PX4Flow Firmware

镜头对焦

  1. 使用USB线，连接电脑和PX4Flow

  2. 在MissionPlanner右上角选择合适的COM口，连接到PX4Flow

  3. 在选项卡中打开”初始设置/INITIAL SETUP“->”可选硬件/Optional Hardware“->”PX4Flow光流/PX4Flow”

    Focusing the lens

  4. 将传感器对准一定距离的物体（官方建议3m以上；但如果要在室内悬停的话，我个人认为1.5m更好），调整镜头焦距，使图像最清晰。

  5. 国产的PX4Flow的镜头没有固定，容易松动，建议对焦完成后用胶布缠一圈固定。

连线至Pixhawk

将PX4Flow正面的4Pin接口（I2C接口），连接至飞控的I2C接口。飞控通常会连接多个I2C设备，因此建议使用I2C分线器（飞控I2C接口连到I2C分线器，PX4Flow及其他设备连接至I2C分线器）。

USB口只作连接电脑、烧写固件之用，不用作与飞控通信的接口。

组装PX4Flow

将镜头指向正下方，micro USB口指向飞机的正前方。此时，PX4Flow板上的X轴指向正前方，Y轴指向右。

通过修改FLOW_ORIENT_YAW参数，可以支持其他的安装朝向。

启用PX4Flow

使用MissionPlanner连接Pixhawk，在”初始设置/INITIAL SETUP“->”可选硬件/Optional Hardware“->”光流/Optical Flow“中，勾选启用/Enable

Enable PX4Flow

或者，也可在参数中设置FLOW_ENABLE为1。

设置完成后，重启飞控。

安装声呐/激光雷达

本文主要介绍PX4Flow光流传感器的安装和调试。虽然只有拥有了测距雷达，光流传感器才能正常工作，但是因为测距雷达的种类和型号过多，难以一概而论。在此只简单介绍几种主流解决方案，具体配置和技术参数请查找相关产品的技术支持。

Lidar Lite

Lidar Lite是一款低价的激光雷达，标称有效距离40m，可以使用I2C或PWM模式连接至飞控。Lidar Lite作为激光雷达，有效距离和精度显著高于基于超声波原理的声呐；同时与其他激光雷达相比，价格相对较低。比较适合科研、商用以及预算充足的玩家。

Maxbotix1242

Maxbotix1242是一款ArduPilot官方固件支持的超声波传感器，标称有效距离7m，可使用I2C接线，体积小巧，设置简单

PX4Flow自带的Maxbotix1403（模拟输出）

Maxbotix1403是部分PX4Flow出厂自带的超声波传感器。据说开发团队认为该传感器的读数稳定性存在问题，于是没有在固件中提供对这个传感器的支持。不过，你依然可以自行将该传感器的模拟输出引脚（Pin 3）和地（Pin 7）引出，接入Pixhawk飞控的6.6V ADC接口（ADC接口从左到右分别为VCC、模拟输入和地；不要接入3.3V ADC，因为输出电压最高可达5V）。将Maxbotix1403视为模拟声呐，即可使用它采集到的数据。

以下参数设置仅供参考：

# 使用模拟声呐
RNGFND_TYPE = 1

# Pin 15代表6.6V ADC
RNGFND_PIN = 15

# 声呐输出为线性
RNGFND_FUNCTION = 0
# 声呐输出和参考电压（电源电压）成比例
RNGFND_RMETRIC = 1

# 没有Stop Pin（声呐会一直工作）
RNGFND_STOP_PIN = -1

# 设置最大有效距离（厘米）
RNGFND_MAX_CM = 500
# 若距离小于30cm，读数就被认为不可靠
RNGFND_MIN_CM = 30

# 停在地面时，声呐与地面的距离（厘米）
RNGFND_GNDCLEAR = 2
# 理论上，输入电压为5V，输出电压的范围为0.293V到4.885V (300mm to 5000mm)
RNGFND_OFFSET = 0.293
# 根据datasheet,距离5m，输出为4.885V
# 5m / 4.885v
RNGFND_SCALING = 1.02354

由于对Maxbotix1403的稳定性存疑，且模拟信号的噪声干扰较大，不是非常建议采用此方法。

PreArm：Check RangeFinder的解决方法

这一信息提示RangeFinder（声呐或雷达）读数不正常，无法正常解锁。出现该信息，是因为在飞控程序中，只有读到了一个0.5m至2m的距离后，才会解锁飞控。如果读到了2m以上的距离，则需要重启飞控。

你可以每次将无人机提起至0.5m以上，完成这项检查；或者你可以在Arming Check的设置中，禁用Parameters选项，即可跳过这项检查。

测试和校准

测试光流传感器

通过MissionPlanner链接到Pixhawk，选择首页左下方的“状态/Status”栏。如果设置正确，可以观察到非0的opt_m_x，opt_m_y和opt_qua的值。

Testing PX4Flow

校准光流传感器

  1. 使用地面站连接飞控，启用在锁定状态下的飞行日志（Copter-3.3设置LOG_BITMASK为131071，Copter-3.4及以上设置LOG_DISARMED为1）

  2. 找一个有明显纹路的地面，确保光照充足

  3. 卸下螺旋桨

  4. 为无人机上电，用手将无人机提起至与视线齐平

  5. 在横滚（Roll）方向上，±15度范围内转动无人机5至10次，每次大约1秒；之后，在俯仰（Pitch）方向上重复此动作。

  6. 断电，下载此次飞行日志。绘制出OF.flowX OF.bodyX和IMU.GyrX的数据，结果应该如下

    Flow_x calibration

    如果OF.flowX与OF.bodyX大小不一致，则需要修改FLOW_FXSCALER参数使其一致

  7. 与步骤6类似，绘制OF.flowY OF.bodyY和IMU.GyrY的数据。如果OF.flowY和OF.bodyY大小不一致，则需要修改FLOW_FYSCALER

检查声呐

在上述飞行日志中，绘制出NKF5.meaRng（单位为米）。如果始终有非零读数，且读数值的变动在10cm以内，说明声呐读数良好（注意在转动无人机的过程中，声呐读数会有所改变）

如果一切正常，可以将LOG_DISARMED重新设置为0，避免产生体积过大的日志文件占用空间

试飞

第一次试飞

试飞目的：

测试光流传感器和声呐的读数

参数设定：

# 卡曼滤波器采用GPS数据
EK2_GPS_TYPE = 0

# 使用气压计作为滤波器的主要高度数据源
EK2_ALT_SOURCE = 0

试飞步骤：

以自稳（Stabilize）或定高（AltHold）模式起飞，确认GPS信号良好后可以切换至定点（PosHold）模式。维持无人机的高度在0.5m至3m（建议达到3m），盘旋片刻即可降落。

分析日志：

  1. NKF5.meaRng应该和无人机的离地高度相同
  2. OF.flowX和OF.flowY应该不同
  3. OF.bodyX、OF.bodyY应该分别和IMU.GyrX和IMU.GyrY一致

如果以上都三点符合，则可以进行第二次试飞，实际测试光流性能了。

第二次试飞

试飞目的：

测试光流定点和声呐定高是否正常工作

参数设定：

# 卡曼滤波器使用光流数据
EK2_GPS_TYPE = 3

# 使用声呐作为主要高度数据来源
Ek2_ALT_SOURCE = 1

飞行前检查：

  1. 确保：
    • 可以用遥控器切换到留待（Loiter）模式
    • 自稳（Stabilize）和定高（AltHold）中至少有一个模式可用
    • 在留待（Loiter）模式下可以方便地切入降落（Land）模式。
  2. 确认在无人机周围，有至少15m的空地。如果光流数据异常，无人机可能会直接以最大速度向一个方向偏移。

试飞步骤：

以留待（Loiter）模式解锁、起飞，至高度约1m。

如果无人机迅速向某个方向加速，立刻将模式切换成降落（Land）。你可能需要将飞行日志上传到ArduPilot论坛（英文），请大家分析其中可能的原因。

如果无人机实现了稳定的定高和定点，那说明光流和声呐正常工作了。你可以轻轻拨动摇杆，尝试在带光流的Loiter模式下飞行。

已知问题

光流传感器的表现与焦距关系巨大

光流传感器在离地面过近或过远时，都会因为成像模糊，导致数据变差。我发现的一个常见现象是：在无人机贴近地面（30cm以内），以及无人机远离地面（跟焦距有关，大约3-5m以上）时，极易触发错误“Err: EKF_CHECK-2”。其原因为光流成像质量不佳，导致卡曼滤波器无法正常工作。为了确保安全，飞控会强制进入Land模式降落。

因此，充分分析无人机执行任务时所处的高度。例如，在单层住宅高度（2.8m）的室内飞行，个人认为，在大约1.5m处对焦就比较合适（没有经过充分试验，欢迎讨论）。

光流传感器在老式日光灯下可能表现不佳

日光灯等光源有频闪现象，它们实际上以一定的频率不停地在亮、暗之间切换。这一频率肉眼无法分辨；但是如果频闪的频率较低，如使用电感镇流器的老式日光灯的闪烁频率为100Hz，则很有可能会干扰光流传感器。打开手机的摄像头，对准光源，如果能够观察到明显的亮暗变化，说明此光源很有可能会影响到光流传感器的正常工作。

因此，还是推荐使用自然光照、基本无频闪的白炽灯、以及使用电子镇流器的新式日光灯和LED灯（闪烁频率在10KHz量级）。

光流传感器可能掉线，且没有提示

掉线的可能原因是供电不稳，I2C接口连接的设备过多，电流达到了上限。因为飞控程序的原因，光流掉线时不会有任何提示，只能根据飞行日志中有没有OF数据段、检查FLOW_ENABLE参数来进行判断。

如果光流传感器掉线现象反复出现，可以考虑将光流传感器单独供电。

版本信息

20170909 1.0 initial commit

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