核心概念：无人机制导 vs. 自动驾驶 vs. 遥控
在深入 Pixhawk 之前，必须先理解这几个基本概念，因为它们经常被混用，但有本质区别。
（图片来源网络，侵删）
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遥控:
- 操作方式： 飞行员在地面上通过遥控器直接发送指令（如油门、方向、姿态），无人机像一个“会飞的摄像头”或“风筝”，实时响应人的操作。
- 核心： 人 是决策者，无人机 是执行者。
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自动驾驶:
- 操作方式： 飞行员在起飞前设定好航线（航点），无人机上的飞控（如 Pixhawk）会自主计算并控制飞机，按照预设航线自动飞行、转弯、改变高度、执行任务（如拍照、投递），飞行员通常可以随时切换回遥控模式进行干预。
- 核心： 飞控 是决策者，无人机 是执行者，这是无人机制导最常见的实现方式。
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无人机制导:
- 定义： 这是一个更广义的工程术语，指引导和控制无人机从起点到终点，并完成特定任务的全过程，它包含了感知、规划、决策和控制等多个环节。
- 核心： 制导系统（可能包含飞控、机载计算机、传感器等）是决策者，目标是精确、自主地完成任务。自动驾驶是制导系统的一个典型应用。
我们通常所说的用 Pixhawk 实现的“无人机自主飞行”，其实就是一种典型的无人机制导系统，其核心是自动驾驶功能。
（图片来源网络，侵删）
Pixhawk：无人机制导的“大脑”
Pixhawk 本质上是一个开源的飞控硬件平台，它不是一个完整的产品，而是一个集成了各种传感器和接口的“核心控制器”，你可以把它想象成无人机的小脑和脊髓，负责处理传感器数据、执行控制算法、驱动电机和舵机。
Pixhawk 的核心组成部分
- 主控芯片： 通常是高性能的 ARM Cortex-M 系列处理器（如 STM32F4/F7/H7），负责运行复杂的飞控算法。
- 惯性测量单元： 这是 Pixhawk 的核心传感器，集成了：
- 陀螺仪: 测量无人机绕三个轴的旋转角速度。
- 加速度计: 测量无人机在三个轴上的线性加速度。
- 磁力计: 相当于电子罗盘，测量无人机的朝向（航向）。
- 气压计: 通过测量大气压力来估算无人机的高度。
- 传感器融合算法： Pixhawk 内部运行复杂的算法（如 DMP (Digital Motion Processor) 和 Madgwick/Mahony 滤波），将来自 IMU 和其他传感器的原始数据进行融合，计算出无人机最精确的姿态（横滚、俯仰、偏航）和位置信息。
- 丰富的接口： 支持连接各种外设，是扩展制导能力的关键。
- GPS 接口： 连接 GPS 模块，获取无人机的经纬度、海拔和速度信息，是实现自主飞行的必备条件。
- 串口： 用于连接数传（与地面站通信）、光流传感器（室内精准悬停）、激光雷达（避障）、RTK GPS（厘米级定位）等。
- PWM 输出： 连接电调、舵机，控制电机转速和舵面偏转。
- I2C/SPI 接口： 用于连接额外的传感器或扩展板。
- CAN 总线： 现代Pixhawk（如 CubePilot）支持，用于连接高性能电机、电调和传感器，数据传输更稳定、速率更高。
Pixhawk 如何实现制导？
Pixhawk 的制导能力主要通过其运行的固件来实现，最主流的固件是 ArduPilot 和 PX4。
以 ArduPilot 为例，制导流程如下：
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任务规划：
（图片来源网络，侵删）- 用户通过地面站软件（如 Mission Planner、QGroundControl）在地图上点击，设定一系列航点，形成一个航线。
- 可以在每个航点设置动作,如：悬停拍照、等待、改变高度、执行任务、返航等。
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状态感知：
- Pixhawk 不断从 IMU、GPS、气压计等传感器获取无人机的当前状态（位置、速度、姿态、高度等）。
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路径规划与制导：
- 当用户点击“起飞”并开始任务后，制导模块被激活。
- 它会计算从当前位置到下一个目标航点的期望路径。
- 它会持续比较当前状态和期望状态之间的误差（偏航了5度，落后了10米）。
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控制与执行：
- 制导模块将这个“位置/姿态误差”转换成具体的控制指令。
- 如果飞机偏右了,它会向左打副翼；如果飞机飞慢了，它会增加油门。
- 这些指令通过 PID 控制器 精细调节后，变成 PWM 信号发送给电调和舵机，最终驱动电机和舵面，精确地修正误差，使无人机稳定地飞向目标点。
这个过程是实时、连续、闭环的，构成了一个完整的制导系统。
Pixhawk 制导系统的关键功能与高级应用
基础的自主飞行只是起点,Pixhawk 支持许多高级制导功能，使其能够应对复杂任务。
| 功能 | 描述 | 典型应用 | 关键传感器/模块 |
|---|---|---|---|
| RTL (Return To Launch) | 返航，在失控或任务结束后，自动规划路径返回起飞点并降落。 | 安全保障 | GPS |
| Loiter (定点悬停) | 在当前位置自动悬停。 | 空中侦察、摄影 | GPS, 气压计 |
| 自动起飞/降落 | 自动完成起飞（如弹射或滑跑）和精确降落（如定点降落或伞降）。 | 全自动化任务 | GPS, 光流, 激光雷达, 视觉着陆 |
| 跟随 | 自动跟随一个移动的目标（人或另一架无人机）。 | 航拍、搜救 | GPS, 视觉追踪, UWB 定位 |
| 点飞行 | 飞机机头始终指向一个固定的地理坐标点，同时围绕该点飞行。 | 监视、测绘 | GPS |
| 航线飞行 | 按预设的航点航线飞行，是测绘、巡检的基础。 | 农业植保, 电力巡线, 三维建模 | GPS, RTK |
| 智能降落 | 使用光流或激光雷达在无 GPS 信号的环境（如室内、桥下）进行精准降落。 | 室内作业, 精准投送 | 光流传感器, 激光雷达 |
| 避障 | 实时检测前方障碍物并自动规避。 | 安全飞行, 复杂环境作业 | 激光雷达, 立体视觉相机, 超声波传感器 |
| RTK 定位 | 使用 RTK GPS 实现厘米级的精确定位。 | 高精度测绘, 电力线巡检, 精准农业 | RTK GPS 模块及基站 |
如何构建一个基于 Pixhawk 的制导系统？
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选择硬件：
- 飞控： 选择一款 Pixhawk 兼容的飞控，如 Holybro Pixhawk 6C、CubePilot Cube Orange 等。
- GPS： 根据需求选择普通 GPS 或 RTK GPS。
- 数传： 用于与地面站通信，如 SiK Telemetry Radio。
- 地面站电脑： 运行 QGroundControl 或 Mission Planner 的笔记本电脑或平板。
- 无人机平台： 四旋翼、六旋翼、固定翼等。
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组装与连接：
将飞控、GPS、数传等正确安装在无人机上，并按照接线图连接好所有接口。
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安装固件：
通过 QGroundControl 或 Mission Planner 将 ArduPilot 或 PX4 固件刷入飞控。
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参数配置：
- 这是最关键的一步，需要配置大量参数，如：
- 框架类型 (Quadcopter, Fixed-wing)
- 电机/电调 的旋转方向和最小/最大脉宽。
- 传感器校准 (IMU, 罗盘, 气压计)。
- 飞行控制参数 (PID 增益)。
- 制导相关参数 (飞行速度、爬升速率、任务模式等)。
- 这是最关键的一步，需要配置大量参数，如：
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地面站规划与测试：
- 在地面站软件中规划航线。
- 务必先进行手动遥控飞行测试，确保飞机姿态正常、响应灵敏。
- 然后在安全开阔的区域进行手动模式和定点模式的测试，最后再尝试航线飞行。
Pixhawk 是一个强大而灵活的开源飞控平台，是实现无人机制导系统的核心硬件，它通过集成的传感器和运行先进的固件（如 ArduPilot），能够实现从基础的遥控飞行到复杂的自主航线规划、智能避障、精准跟随等高级制导功能。
对于任何想要开发专业级无人机的团队或个人来说,深入理解并掌握 Pixhawk，是通往成功的关键一步，它不仅降低了无人机制导技术的门槛，也为各种创新应用提供了坚实的基础。
