树莓派机载电脑

一款基于树莓派的无人机机载电脑

huangsuo

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项目状态:填坑进行中
开放度:公开
所属分类:电子
发布时间:2021-02-21
最近更新:2021-03-02

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在视觉避障的应用场景中,往往需要一个机载电脑作为算力单元。Nvidia针对此类应用场景推出了Jetson系列AI开发平台,有强大的浮点计算能力和软件堆栈以及超低得能耗,但是价格较为昂贵,不利于推广。国内各种山寨"PI"价格是便宜了,但是软件支持极为不好,系统和驱动的更新常常严重滞后。树莓派能提供一定的算力,价格适中,软件的支持很好,适用于小型低成本的视觉避障系统中。


详细说明

近年来无人机技术已进入高速发展阶段,已从过去执行单一任务、完成简单功能的初级无人机发展到如今集自主化、智能化等功能于一体的多功能综合无人机。随着实时信息网络和人工智能技术的发展,未来先进无人机最终要达到有权限的自主和完全自主控制.

   目前在开源飞控领域比较流行的是pixhawk系列飞控,这种飞控的源代码是完全公开的,用户可以从GitHub上免费下载,用于学习研究和二次开发。流行的开源飞控源代码有PX4和Ardupilot两大阵营,这两种代码编译生成的固件都能运行在Pixhawk飞控硬件上(类似于你买了一个电脑,可以安装Windows操作系统也可以安装Linux操作系统)。Pixhawk系列飞控大多采用STM32系列单片机作为主控器。STM32单片机运算能力是比较弱的,完成各类必需的传感器(比如运动传感器,电子罗盘,GPS定位信息等)的信号读取并完成姿态解算,然后去控制电机,这几个步骤已经消耗了大部分的单片机算力,完全没有多余的算力来满足智能化要求。因而增加一个机载电脑来提供额外算力是业界通行的方法。
   
   消费无人机界的泰斗大疆创新针对这种场景推出了“妙算”机载电脑。这个电脑基于nVidia Tegra K1 处理器,4核ARM-Cortex A15核心,售价2999元。软件开发基于DJI封装好的SDK.还有其它厂商推出的基于Intel X86 处理器的机载电脑,这类电脑性能固然是很强大,但是体积也比较大,至少500毫米左右轴距的飞机才能够安装;价格更是动则六、七千以上。过大的飞机体积和高昂的价格都不利于个人DIY和教育领域。毕竟摔机是经常发生的事,拿着造价两三万的飞机试飞,压力还是很大的(土豪除外)。对于飞机尺寸,去掉浆之后能装入背包,更受普通开发者欢迎,也就是300mm左右的轴距。
   
   相对来说树莓派35美金的定位就显得很有性价比,几百块就能拥有一个机载电脑,4核心64位 ARM Cortex-A72 CPU性能也还可以。树莓派的软件更新很正规和及时,用户基数也很多,各种应用场景多少都能找到一些例程,这点对开发者来说也很重要。关于树莓派的性能和资源这里就不详细介绍了。这里要说一下Raspberry Pi 4 Model B和CM4的对比。
   
   Pi 4 B优点是所有标准接口都集成好了,拿来即用。。缺点是:体积偏大;跟pixhawk飞控的接口型号不一样,不能直接对接;只能5V供电,不能直接从动力电池供电,需外挂降压模块;加了铝合金外壳和散热系统(在机器视觉应用中,CPU占用率会很高,散热是必须加的,否则容易死机)后会对内置的WIFI天线造成屏蔽,通讯距离大为缩短;CSI摄像头使用FPC排线连接,在飞行震动中容易松动。总之就是接线凌乱加不方便。
   
   CM4体积要小一些,但需要自行设计对应的底板。不过在设计的底板上,接口可以做成直接跟飞控对接;通过集成DC-DC芯片,也可以做到直接从动力电池供电。整体来说,采用CM4+底板的方式会大大优化接线和体积。
   
   通过一番比对,最后还是决定采用CM4+底板的方式。虽然要设计底板,但是采用这种方案一体性比较好,更像一个产品。底板的原理框图设计如下:

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USB device用于树莓派烧写镜像。这里选用带EMMC的CM4型号,因为在震动中SD卡座并不是那么可靠。
通过VL805芯片从PCIE转出4路USB接口,用于各种USB外设,比如USB摄像头,4G网卡,调试键盘等等。
MicroHDMI接口可用于外接显示器。
CSI接口用于连接树莓派支持的各种高清摄像头,做视频采集。
串口0用于连接飞控,接入飞控的遥测数据。
串口3预留,暂不使用,可当普通IO口使用。
SPI接口预留,暂不使用,可当普通IO口使用。
千兆以太网接口可提供更高的网络带宽。

实物:设计制作中

   软件方面,目前在Pi4 B上安装了Rpanion-server开源软件包,实现了飞控遥测(Mavlink)路由、摄像头视频转发和从连接的飞行控制器进行日志记录。 还在树莓派上连接了intel RealSense D435深度相机,用附送的测试例程成功看到了相机的图像和深度图。

后续会把这部分过程和步骤补上。

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