从零制作自主空中机器人

本文档是视频教程从零制作自主空中机器人的配套文档，四旋翼无人机具有一定的安全风险，请同学们严格遵守安全规范，对自己的安全负责。

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第一章：课程介绍

本次课程是一套面向对自主空中机器人感兴趣的学生、爱好者、相关从业人员的免费课程，包含了从硬件组装、机载电脑环境设置、代码部署、实机实验等全套详细流程，带你从0开始，组装属于自己的自主无人机，并让它可以在未知的环境中自由避障穿行。本次课程所涉及的所有代码、硬件设计全部开源，严禁商用与转载，版权与最终解释权由浙江大学FASTLAB实验室所有。 本次课程的重心主要落在自主空中机器人的搭建、代码部署及调试上，关于自主空中机器人的一些理论基础，例如动力学模型，路径搜索，轨迹规划，地图构建等内容，高飞老师在深蓝学院有非常详尽而深入浅出的课程，本次课程就不再赘述。

第二章：动力套焊接

机器人本体相关配件及焊接用工具详见purchase_list.xlsx,对硬件选型有相关疑问请看 番外一：硬件选型

第三章：飞控的安装与接线

• 一定要注意电调信号线顺序！！！
• 飞控箭头与机头同向为正向，任意方向旋转90°的倍数也可以，后续可以在飞控设置内调整，推荐和视频内相同朝向摆放。
• 强烈推荐使用硅胶杜邦线，常规杜邦线线材过硬，容易出现接触不良。
• 5V稳压模块注意贴黑胶带绝缘，周围注意贴一圈厚的海绵胶带来防止飞机降落时损坏5V模块，也可以考虑把5V模块用扎带扎在机臂旁边

第四章：飞控设置与试飞

• 请烧录本git项目下的/firmware/px4_fmu-v5_default.px4固件，这个固件是官方1.11.0版本固件编译而来，如有需要可以自行编译。实测1.13版本固件存在BUG，不建议使用，更老的固件版本未经测试。

• 在飞控的sd卡的根目录下创建/etc/extras.txt，写入

  mavlink stream -d /dev/ttyACM0 -s ATTITUDE_QUATERNION -r 200
  mavlink stream -d /dev/ttyACM0 -s HIGHRES_IMU -r 200

  以提高imu发布频率

• 修改机架类型为 Generic 250 Racer，代指250mm轴距机型。如果是其他尺寸的机架，请根据实际轴距选择机架类型

• 修改dshot_config为dshot600

• 修改CBRK_SUPPLY_CHK为894281 执行这步跳过了电源检查，因此左侧栏的电池设置部分就算是红的也没关系

• 修改CBRK_USB_CHK为197848

• 修改CBRK_IO_SAFETY为22027

• 修改SER_TEL1_BAUD为921600

• 修改SYS_USE_IO为0（搜索不到则不用管）

• 检测电机转向前确保没有安装螺旋桨！！！！

• 修改电机转向：进入mavlink控制台

  dshot reverse -m 1
  dshot save -m 1

  修改1为需要反向的电机序号

• 第一次试飞请务必找有自稳模式下飞行经验的飞手协助，只飞过大疆无人机的飞手99%无法飞好！

第五章：机载电脑与传感器的安装

• 碳板已经预留了拆壳NUC的安装空位。如果想拆壳安装NUC，需要额外购买USB网卡，或者拆下自带的网卡天线找地方固定住，并且由于碳纤维板导电，请务必用尼龙柱把NUC支起来，相关资料请自行查阅。
• 机载电脑使用4S航模电池直接供电，正常情况下没有问题。但理论上最好接一个稳压模块，否则在无人机炸机/电池几乎耗尽时会出现机载电脑关机的情况。但由于符合NUC功率的稳压模块比较大，请同学们酌情选用。

第六章：Ubuntu20.04的安装

• 镜像站地址：http://mirrors.aliyun.com/ubuntu-releases/20.04/ 下载 ubuntu-20.04.4-desktop-amd64.iso
• 烧录软件UltraISO官网：https://cn.ultraiso.net/
• 分区设置：
  • EFI系统分区（主分区）512M
  • 交换空间（逻辑分区）16000M（内存大小的两倍）
  • 挂载点/（主分区）剩余所有容量
  • 笔记本上也需要安装ubuntu，推荐装20.04版本。虚拟机或双系统都可以，如果有长期学习打算推荐双系统

第七章：机载电脑的环境配置

• ROS安装
  • sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
  • sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654'
  • sudo apt update
  • sudo apt install ros-noetic-desktop-full
  • echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
  • 建议没有ROS基础的同学先去B站学习古月老师的ROS入门教程
• 测试ROS
  • 打开三个终端，分别输入
  • roscore
  • rosrun turtlesim turtlesim_node
  • rosrun turtlesim turtle_teleop_key
• realsense驱动安装
  • sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-key F6E65AC044F831AC80A06380C8B3A55A6F3EFCDE || sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-key F6E65AC044F831AC80A06380C8B3A55A6F3EFCDE
  • sudo add-apt-repository "deb https://librealsense.intel.com/Debian/apt-repo $(lsb_release -cs) main" -u
  • sudo apt-get install librealsense2-dkms
  • sudo apt-get install librealsense2-utils
  • sudo apt-get install librealsense2-dev
  • sudo apt-get install librealsense2-dbg
  • 测试：realsense-viewer
  • 注意测试时左上角显示的USB必须是3.x，如果是2.x，可能是USB线是2.0的，或者插在了2.0的USB口上（3.0的线和口都是蓝色的）
• 安装mavros
  • sudo apt-get install ros-noetic-mavros
  • cd /opt/ros/noetic/lib/mavros
  • sudo ./install_geographiclib_datasets.sh
• 安装ceres与glog与ddyanmic-reconfigure
  • 解压3rd_party.zip压缩包
  • 进入glog文件夹打开终端
  • ./autogen.sh && ./configure && make && sudo make install
  • sudo apt-get install liblapack-dev libsuitesparse-dev libcxsparse3.1.2 libgflags-dev libgoogle-glog-dev libgtest-dev
  • 进入ceres文件夹打开终端
  • mkdir build
  • cd build
  • cmake ..
  • sudo make -j4
  • sudo make install
  • sudo apt-get install ros-noetic-ddynamic-reconfigure
• 下载ego-planner源码并编译
  • git clone https://github.com/ZJU-FAST-Lab/Fast-Drone-250
  • cd Fast-Drone-250
  • catkin_make
  • source devel/setup.bash
  • roslaunch ego_planner single_run_in_sim.launch
  • 在Rviz内按下键盘G键，再单击鼠标左键以点选无人机目标点

第八章：常用实验与调试软件的安装与使用

• VScode：sudo dpkg --i ***.deb
• Terminator：sudo apt install terminator
• Plotjuggler：
  • sudo apt install ros-noetic-plotjuggler
  • sudo apt install ros-noetic-plotjuggler-ros
  • rosrun plotjuggler plotjugller
• Net-tools：
  • sudo apt install net-tools
  • ifconfig
• ssh：
  • sudo apt install openssh-server
  • 在笔记本上：ping 192.168.**.**
  • sudo gedit /etc/hosts
  • 加上一行：192.168.**.** fast-drone
  • ping fast-drone
  • ssh fast-drone@fast-drone(ssh 用户名@别名)

第九章：Ego-Planner代码框架与参数介绍

• src/planner/plan_manage/launch/single_run_in_exp.launch下的：
  • map_size：当你的地图大小较大时需要修改，注意目标点不要超过map_size/2
  • fx/fy/cx/cy：修改为你的深度相机的实际内参（下一课有讲怎么看）
  • max_vel/max_acc：修改以调整最大速度、加速度。速度建议先用0.5试飞，最大不要超过2.5，加速度不要超过6
  • flight_type：1代表rviz选点模式，2代表waypoints跟踪模式
• src/planner/plan_manage/launch/advanced_param_exp.xml下的：
  • resolution：代表栅格地图格点的分辨率，单位为米。越小则地图越精细，但越占内存。最小不要低于0.1
  • obstacles_inflation：代表障碍物膨胀大小，单位为米。建议至少设置为飞机半径（包括螺旋桨、桨保）的1.5倍以上，但不要超过resolution的4倍。如果飞机轴距较大，请相应改大resolution
• src/realflight_modules/px4ctrl/config/ctrl_param_fpv.yaml下的：
  • mass：修改为无人机的实际重量
  • hover_percent：修改为无人机的悬停油门，可以通过px4log查看，具体可以参考文档 如果你的无人机是和课程的一模一样的话，这项保持为0.3即可。如果更改了动力配置，或重量发生变化，或轴距发生变化，都请调整此项，否则自动起飞时会发生无法起飞或者超调严重的情况。
  • gain/Kp,Kv：即PID中的PI项，一般不用太大改动。如果发生超调，请适当调小。如果无人机响应较慢，请适当调大。
  • rc_reverse：这项使用乐迪AT9S的不用管。如果在第十一课的自动起飞中，发现飞机的飞行方向与摇杆方向相反，说明需要修改此项，把相反的通道对应的值改为true。其中throttle如果反了，实际实验中会比较危险，建议在起飞前就确认好，步骤为：
    • roslaunch mavros px4.launch
    • rostopic echo /mavros/rc/in
    • 打开遥控器，把遥控器油门从最低满满打到最高
    • 看echo出来的消息里哪项在缓慢变化（这项就是油门通道值），并观察它是不是由小变大
    • 如果是由小变大，则不需要修改throttle的rc_reverse，反之改为true
    • 其他通道同理

第十章：VINS的参数设置与外参标定

• 检查飞控mavros连接正常

  • ls /dev/tty*，确认飞控的串口连接正常。一般是/dev/ttyACM0
  • sudo chmod 777 /dev/ttyACM0，为串口附加权限
  • roslaunch mavros px4.launch
  • rostopic hz /mavros/imu/data_raw，确认飞控传输的imu频率在200hz左右

• 检查realsense驱动正常

  • roslaunch realsense2_camera rs_camera.launch
  • 进入远程桌面，rqt_image_view
  • 查看/camera/infra1/image_rect_raw,/camera/infra2/image_rect_raw,/camera/depth/image_rect_raw话题正常

• VINS参数设置

  • 进入realflight_modules/VINS_Fusion/config/

  • 驱动realsense后，rostopic echo /camera/infra1/camera_info，把其中的K矩阵中的fx,fy,cx,cy填入left.yaml和right.yaml

  • 在home目录创建vins_output文件夹

  • 修改fast-drone-250.yaml的body_T_cam0和body_T_cam1的data矩阵的第四列为你的无人机上的相机相对于飞控的实际外参，单位为米，顺序为x/y/z，第四项是1，不用改

• VINS外参精确自标定

  • sh shfiles/rspx4.sh
  • rostopic echo /vins_fusion/imu_propagate
  • 拿起飞机沿着场地尽量缓慢地行走，场地内光照变化不要太大，灯光不要太暗，不要使用会频闪的光源，尽量多放些杂物来增加VINS用于匹配的特征点
  • 把vins_output/extrinsic_parameter.txt里的内容替换到fast-drone-250.yaml的body_T_cam0和body_T_cam1
  • 重复上述操作直到走几圈后VINS的里程计数据偏差收敛到满意值（一般在0.3米内）

• 建图模块验证

  • sh shfiles/rspx4.sh
  • roslaunch ego_planner single_run_in_exp.launch
  • 进入远程桌面 roslaunch ego_planner rviz.launch

第十一章：Ego-Planner的实验

• 自动起飞：

  • sh shfiles/rspx4.sh
  • rostopic echo /vins_fusion/imu_propagate
  • 拿起飞机进行缓慢的小范围晃动，放回原地后确认没有太大误差
  • 遥控器5通道拨到内侧，六通道拨到下侧，油门打到中位
  • roslaunch px4ctrl run_ctrl.launch
  • sh shfiles/takeoff.sh，如果飞机螺旋桨开始旋转，但无法起飞，说明hover_percent参数过小；如果飞机有明显飞过1米高，再下降的样子，说明hover_percent参数过大
  • 遥控器此时可以以类似大疆飞机的操作逻辑对无人机进行位置控制
  • 降落时把油门打到最低，等无人机降到地上后，把5通道拨到中间，左手杆打到左下角上锁

• Ego-Planner实验

  • 自动起飞
  • roslaunch ego-planner single_run_in_exp.launch
  • sh shfiles/record.sh
  • 进入远程桌面 roslaunch ego_planner rviz.launch
  • 按下G键加鼠标左键点选目标点使无人机飞行

• 如果实验中遇到意外怎么办！！！

  • case 1: VINS定位没有飘，但是规划不及时/建图不准确导致无人机规划出一条可能撞进障碍物的轨迹。如果飞手在飞机飞行过程中发现无人机可能会撞到障碍物，在撞上前把6通道拨回上侧，此时无人机会退出轨迹跟随模式，进入VINS悬停模式，在此时把无人机安全着陆即可
  • case 2：VINS定位飘了，表现为飞机大幅度颤抖/明显没有沿着正常轨迹走/快速上升/快速下降等等，此时拨6通道已经无济于事，必须把5通道拨回中位，使无人机完全退出程序控制，回到遥控器的stablized模式来操控降落
  • case 3：无人机已经撞到障碍物，并且还没掉到地上。此时先拨6通道，看看飞机能不能稳住，稳不住就拨5通道手动降落
  • case 4：无人机撞到障碍物并且炸到地上了：拨5通道立刻上锁，减少财产损失
  • case 5：绝招 反应不过来哪种case，或者飞机冲着非常危险的区域飞了，直接拨7通道紧急停桨。这样飞机会直接失去动力摔下来，对飞机机身破坏比较大，一般慢速情况下不建议。