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hardware and software design of the 250mm autonomous drone

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tugepaopaoo/Fast-Drone-250

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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,github链接为https://github.com/ZJU-FAST-Lab/Fast-Drone-250

安全事项

四旋翼无人机具有较高的安全风险，请同学们严格遵守安全规范，不要在有人的室内或室外进行试验，对自己和他人的安全负责，本实验室完全免责。

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！！！ 电机方向
  • 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
  • 使用V5+飞控或其他把模拟和数字输出分开的飞控（特点是输出口标号为A1A4 M1M4），如果要用Dshot协议，请插在A口上

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）

  • 上电前请先用万用表通断档检测电源正负焊点是否短接，强烈建议第一次上电前先接一个短路保护器

  • 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！

  • 身边没有有经验的飞手怎么办？详见Q&A

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 plotjuggler
  • 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(如果你的用户名不是fast-drone，需要修改config内的vins_out_path为你实际创建的文件夹的绝对路径)

    • 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。

Q&A 常见问题及解答

Q: 能不能用265+435来不跑vins？
A: 可以，但265直出的里程计的速度估计有问题，可能导致控制不稳定。需要把265和imu做ekf融合。

Q: 硬件清单中的xxx能不能更换？
A: 请看视频番外一，讲解了大部分替换可能。
   如果要换大轴距机架，请相应更换动力套及桨叶。pid参数也需要相应调整，相关内容自行查阅。
   435相机可以换430相机。430更便宜但没有外壳，不好固定且容易炸坏。
   电池不建议更换，因为课程的Q250机架刚刚好可以塞入2300mah 4S电池，不需要额外固定。更换电池需要自行解决电池放置问题。

Q: 能不能用D435i自带的imu运行vins?
A: 不行，因为435的imu噪声很大

Q: 课程提供的v1.11.0固件有什么改动吗？必须使用这个固件吗？
A: 没有任何改动，是直接从px4官方下载的。目前仅在该版本上测试通过了本套代码，且在v1.13上测试失败，表现为VINS会经常崩溃。其他飞控/其他版本固件没有测试，有需要的同学可以自行测试。

Q: QGC内测试电机不转怎么办？
A: 1. 检查电调是否支持dshot，不支持请自行查阅pwm电调校准方法。 
   2.如果是使用V5+飞控或其他把模拟和数字输出分开的飞控（特点是输出口标号为A1~A4 M1~M4），如果要用Dshot协议，请插在A口上
   3.使用holybro pixhawk4完全版飞控，飞控与分电板的插线请插在FMU PWM OUTPUT上，而非I/O PWM OUTPUT

Q: 运行vins后报红字错误？
A: 大概率是你改config后格式错误，照着报错去修改对应的config

Q: 运行vins后报"VINS_RESULT_PATH not opened"?
A: 在home目录创建`vins_output`文件夹(如果你的用户名不是fast-drone，需要修改config内的vins_out_path为你实际创建的文件夹的绝对路径)

Q: 这台飞机的载重有多少？续航有多少？能飞多远？
A: 不带额外负载起飞重量在1.1~1.2kg左右，最大起飞重量在1.8kg内，再大控制不稳且续航很短。
	不带负载续航约5分钟。
	能飞多远取决于你wifi的通讯质量，一般wifi顶多通讯100米。此外由于栅格地图直接开在内存内，如果地图范围设置过大，容易占满内存导致其他程序运行缓慢。一般不建议超过50米*50米。
	
Q: 为什么要挡住D435的结构光？
A: 结构光的意义在于使相机得到的深度图更准确，但双目图片上会显示出位置固定不变的点阵光斑，这对VIO的运行是不利的，所以需要关掉。

Q: VINS飘怎么办？
A: 1. 检查环境中是否有强反光物体（瓷砖、玻璃等）
   2. 尽量缓慢地移动无人机，场景内不要有运动物体
   3. 尽量准确地测量初始外参
   4. 不要在运行vins的时候在远程桌面上运行rviz（会占用大量CPU资源），实在想开建议去配一下ROS多机，然后在笔记本上开
   5. 检查环境中是否有频闪光源（肉眼无法看出，在realsense的单目画面中检查）

Q: 我没有自稳模式无人机的飞行经验，身边也没有有经验的飞手，怎么办呢？
A: 1. 有预算的情况下，建议购买一台耐摔的带保护圈的穿越机来练手，推荐的型号有mobula6,吉朗小金鱼85x,化骨龙racewhoop30等
   2. 没啥预算的情况下，建议购买一个遥控器加密狗来把课程推荐的AT9S遥控器连接到电脑，然后在模拟器里练熟。模拟器推荐steam上的liftoff,免费的推荐free rider

Q: 我想用NX做机载电脑，该另外做些什么？
A: 原则上不建议小白用NX，会多很多麻烦事，本课程并不涉及，助教也没有时间去帮你看。
   需要额外做下面的事：
   1. 修改VINS为GPU版本的，因为NX的CPU算力很差，跑课程的CPU版VINS一定跑不动
   2. 解决NX固定及供电问题
   3. 解决realsense固定问题
   4. 解决NX用小底板时接口不够的问题
   5. 解决一系列arm和x86不兼容带来的问题
   
Q: 我按照教程修改sd卡里的etc/extra.txt后，IMU频率没有变成200hz怎么办？
A: 可能原因是你的固件不支持这样修改，可以尝试在启动mavros后执行：
rosrun mavros mavcmd long 511 105 5000 0 0 0 0 0 & sleep 1;
rosrun mavros mavcmd long 511 31 5000 0 0 0 0 0 & sleep 1;

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