開(kāi)始利用Betaflight飛行控制器、簡(jiǎn)單的10個(gè)Python文件和樹(shù)莓派，為你的FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)構(gòu)建自己的自動(dòng)駕駛儀。

FPV無(wú)人機(jī)搭載樹(shù)莓派在“Kill House”機(jī)庫(kù)中飛行

基于Betaflight的FPV無(wú)人機(jī)因其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和操作簡(jiǎn)便。然而，與基于ArduPilot的無(wú)人機(jī)和飛機(jī)不同，它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)并未考慮自主飛行功能。這并不意味著自主飛行無(wú)法實(shí)現(xiàn)——只是使用Betaflight固件實(shí)現(xiàn)起來(lái)要復(fù)雜得多。

為何要在Betaflight上追求FPV自動(dòng)駕駛？自主飛行具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如在飛行過(guò)程中避免電子系統(tǒng)的干擾、在無(wú)FPV操作員控制的情況下穿越干擾區(qū)域等。然而，在Betaflight上實(shí)現(xiàn)這一自主飛行功能絕非易事。

作為一名熱衷于推進(jìn)FPV無(wú)人機(jī)技術(shù)的軟件開(kāi)發(fā)者，我接受了這一挑戰(zhàn)，致力于研究和開(kāi)發(fā)一種基于Betaflight的簡(jiǎn)單FPV自動(dòng)駕駛儀。我的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)初始模板，讓他們能夠從零開(kāi)始，基于Betaflight構(gòu)建自己的FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀。

在本文中，我將分享我的研究成果——一份詳細(xì)的、逐步指導(dǎo)如何在Betaflight上使用樹(shù)莓派構(gòu)建FPV自動(dòng)駕駛儀的指南。無(wú)論你是業(yè)余愛(ài)好者、發(fā)燒友還是面臨類似挑戰(zhàn)的開(kāi)發(fā)者，這份指南都將為你節(jié)省數(shù)月的時(shí)間。

那么，讓我們開(kāi)始吧，一起創(chuàng)造這些令人驚嘆的事物！

自動(dòng)駕駛儀

與目前戰(zhàn)場(chǎng)上使用的“作戰(zhàn)就緒”自動(dòng)駕駛儀不同，這款“空載駕駛儀”（自動(dòng)駕駛儀）缺乏在戰(zhàn)場(chǎng)上識(shí)別或跟蹤目標(biāo)的能力。相反，它專為基本自主操作而設(shè)計(jì)，能夠向前飛行2秒并釋放其有效載荷（炸彈）。

這款自動(dòng)駕駛儀可作為開(kāi)發(fā)者的模板，為那些希望啟動(dòng)自己的研發(fā)計(jì)劃的人提供一個(gè)起點(diǎn)。我們的目標(biāo)是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，創(chuàng)造出能夠自主進(jìn)行目標(biāo)轟炸，同時(shí)避免戰(zhàn)場(chǎng)上電子戰(zhàn)系統(tǒng)干擾的作戰(zhàn)級(jí)自動(dòng)駕駛儀。

該概念涉及使用一款在戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)場(chǎng)上廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)，并配備一臺(tái)預(yù)裝了基于Python的代碼的伴侶計(jì)算機(jī)（如樹(shù)莓派）。此設(shè)置實(shí)現(xiàn)了所宣稱的功能，使無(wú)人機(jī)能夠在沒(méi)有FPV操作員參與的情況下自主飛行并釋放其有效載荷。

接線圖

讓我們先從接線圖開(kāi)始。該設(shè)置采用了一款圍繞Aocoda F460堆棧構(gòu)建的FPV無(wú)人機(jī)，這是一款高性能系統(tǒng)，包括Aocoda F405 v2飛行控制器（FC）和3060S（60A）電子調(diào)速器（ESC）。下圖展示了各種組件（包括舵機(jī)模塊、攝像機(jī)、ELRS接收器、VTX和樹(shù)莓派）如何與飛行控制器焊接在一起。

F405 v2 FC和FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)組件

以下是每個(gè)組件的接線詳情：

攝像機(jī)：黃色（CAM）、紅色（5V）、黑色（GND）

投放系統(tǒng)：紅色（5V）、黑色（GND）、粉色（S5），對(duì)應(yīng)飛行控制器（FC）上的SERVO1。

VTX（視頻發(fā)射器）：紅色（9V）、黑色（GND）、綠色（VTX）、藍(lán)色T4（UART4上的TX）連接到VTX上對(duì)應(yīng)的RX引腳。

ELRS接收器：紅色（4.5V）、黑色（GND）、藍(lán)色（T2）、藍(lán)色（R2）。FC上的T2和R2與UART2對(duì)齊，其中T2連接到接收器上的RX，R2連接到TX。

樹(shù)莓派：使用Type-C轉(zhuǎn)USB線將飛行控制器連接到樹(shù)莓派，通過(guò)MSP協(xié)議進(jìn)行通信。

與往常一樣，ESC使用堆棧捆綁包中包含的8針線連接到FC，無(wú)需額外解釋。

Betaflight配置

如前所述，配置FPV無(wú)人機(jī)是解決方案的關(guān)鍵部分。然而，我不會(huì)詳細(xì)介紹所有所需的設(shè)置，而是僅關(guān)注支持自主飛行基本場(chǎng)景所需的關(guān)鍵配置。

要配置FPV無(wú)人機(jī)以進(jìn)行自主飛行，我們需要將以下模式分配給無(wú)線電控制器上的適當(dāng)AUX通道：

Betaflight配置器中的模式部分

ARM：用于啟動(dòng)和關(guān)閉電機(jī)。

ANGLE：激活A(yù)NGLE模式，使自動(dòng)駕駛儀能夠在穩(wěn)定飛行模式下控制無(wú)人機(jī)。

ALTHOLD：保持當(dāng)前高度，防止飛行過(guò)程中發(fā)生任何意外的高度變化。

BEEPER：激活無(wú)人機(jī)的蜂鳴器，在緊急情況下（如在樹(shù)林中丟失無(wú)人機(jī)）可用于定位無(wú)人機(jī)。

MSP OVERRIDE：最關(guān)鍵的模式，允許自動(dòng)駕駛儀通過(guò)在msp_override_channels_mask變量中定義的切換來(lái)接管控制權(quán)。

MSP OVERRIDE的詳細(xì)配置說(shuō)明將在下文的“MSP OVERRIDE”部分提供。

還需要正確配置舵機(jī)模塊。如下圖所示，SERVO1已設(shè)置為響應(yīng)AUX2的切換。請(qǐng)確保在你的配置中復(fù)制此設(shè)置。

舵機(jī)部分，AUX2設(shè)置為控制SERVO1舵機(jī)設(shè)備

最后，為了完成配置，我們需要啟用并設(shè)置MSP OVERRIDE模式。這需要在CLI中配置msp_override_channels_mask變量。為了我們的自動(dòng)駕駛儀的目的，掩碼值已計(jì)算為47，對(duì)應(yīng)于位掩碼00101111。

在CLI中設(shè)置msp_override_channels_mask

要設(shè)置它，請(qǐng)執(zhí)行以下腳本。

setmsp_override_channels_mask =47savegetmsp_override_channels_mask

每次更改后，請(qǐng)務(wù)必通過(guò)在CLI中輸入save命令來(lái)保存配置。

MSP OVERRIDE

現(xiàn)在，你將明白為什么我們?cè)谏弦还?jié)中為msp_override_channels_mask設(shè)置了位掩碼00101111（47）。

Betaflight中的MSP OVERRIDE模式允許自動(dòng)駕駛儀（樹(shù)莓派）覆蓋特定的AUX值，從而直接控制無(wú)人機(jī)。激活后，此模式允許自動(dòng)駕駛儀調(diào)整ROLL、PITCH、YAW、THROTTLE和AUX值等參數(shù)。在此設(shè)置中，我們使用MSP OVERRIDE來(lái)管理無(wú)人機(jī)的方向、速度、整體飛行，并在必要時(shí)觸發(fā)與SERVO1（AUX2）鏈接的舵機(jī)模塊以釋放炸彈。

Betaflight中的msp_override_channels_mask變量決定了自動(dòng)駕駛儀將覆蓋哪些發(fā)射機(jī)（無(wú)線電控制器）通道。在我們的場(chǎng)景中，通道保留用于飛行控制的ROLL、PITCH、YAW和THROTTLE，以及用于激活SERVO1的AUX2，以便在必要時(shí)釋放炸彈。

需要注意的是，掩碼邏輯遵循反向位順序。為了清晰起見(jiàn)，請(qǐng)參考下圖，該圖解釋了掩碼值如何計(jì)算為47（0x00101111）以及為何選擇這些通道。

msp_override_channels_mask的掩碼

在msp_override_channels_mask中，值為1表示覆蓋已啟用，而0表示已禁用。如所示，我們?yōu)榍八膫€(gè)專用于飛行控制的通道（ROLL、PITCH、YAW、THROTTLE）以及控制有效載荷釋放的AUX2啟用了覆蓋。

樹(shù)莓派配置

根據(jù)最初的設(shè)計(jì)，樹(shù)莓派作為伴侶計(jì)算機(jī)，通過(guò)MSP協(xié)議與飛行控制器（FC）上的Betaflight固件進(jìn)行通信。

雖然Betaflight最初并非為自主飛行而設(shè)計(jì)，但最近的更新引入了強(qiáng)大的MSP OVERRIDE模式，使我們能夠開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛儀，正如我們之前所討論的。

安裝在FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)電池組上的樹(shù)莓派

為了開(kāi)始探索自動(dòng)駕駛儀，我們應(yīng)按照GitHub倉(cāng)庫(kù)中“Betaflight上的FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀（空載版本）”的“樹(shù)莓派配置”部分中概述的步驟進(jìn)行操作，包括復(fù)制文件、設(shè)置適當(dāng)?shù)姆?wù)以及創(chuàng)建日志文件夾以允許收集遙測(cè)數(shù)據(jù)和一般日志。

https://github.com/under0tech/autopilot_bee_ept

架構(gòu)

自動(dòng)駕駛儀具有多線程架構(gòu)。其核心是一個(gè)由命令路由器管理的命令隊(duì)列，該路由器處理所有傳入的命令。路由器在其專用線程（稱為路由器線程）中運(yùn)行，而另外兩個(gè)線程——遙測(cè)線程和空載駕駛儀線程——?jiǎng)t專注于將命令追加到隊(duì)列中。

Betaflight的簡(jiǎn)單自動(dòng)駕駛儀

遙測(cè)線程處理系統(tǒng)監(jiān)控和遙測(cè)請(qǐng)求，將命令排隊(duì)以向自動(dòng)駕駛儀提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如當(dāng)前高度、飛機(jī)速度和實(shí)時(shí)RC通道值。而空載駕駛儀線程則管理與自主飛行和有效載荷投放相關(guān)的命令，如炸彈投放。

有關(guān)自動(dòng)駕駛儀架構(gòu)的更詳細(xì)解釋，請(qǐng)參閱GitHub倉(cāng)庫(kù)中提供的README_DEV.md文件。

https://github.com/under0tech/autopilot_bee_ept/blob/main/README_DEV.md

模式

與我之前為實(shí)驗(yàn)?zāi)康目寺〉脑甲詣?dòng)駕駛儀不同，我們現(xiàn)在擁有了一個(gè)真正的遙控器——RadioMaster Pocket M2，它允許我們根據(jù)需要切換AUX開(kāi)關(guān)和相關(guān)模式。

RadioMaster Pocket M2無(wú)線電控制器

在此自動(dòng)駕駛儀的實(shí)現(xiàn)中，我將其設(shè)計(jì)為僅具有兩種模式：

1.OFF——自動(dòng)駕駛儀保持非活動(dòng)狀態(tài)，等待操作員輸入以切換到另一種模式。在此狀態(tài)下，只有遙測(cè)監(jiān)控和日志記錄功能可用。

2.READY——激活基本功能，無(wú)人機(jī)向前飛行兩秒，然后投放其有效載荷（例如，炸彈）。

模式由command_telemetry_mode_change(telemetry)函數(shù)管理，該函數(shù)依賴于AUX3的值。低值（1000）對(duì)應(yīng)于OFF模式，中間值（1503）未分配，而高值（2000）則激活READY模式。

該函數(shù)在router.py文件中實(shí)現(xiàn)。

def command_telemetry_mode_change(telemetry): previous_throttle = autopilot.state['throttle'] rc_chs = struct.unpack('<'?+?'H'?* (len(telemetry) //?2), telemetry)? ? autopilot.state['roll'] = rc_chs[0]? ? autopilot.state['pitch'] = rc_chs[1]? ? autopilot.state['yaw'] = rc_chs[2]? ? autopilot.state['throttle'] = rc_chs[3]? ? autopilot.state['aux1'] = rc_chs[4]? ? autopilot.state['aux2'] = rc_chs[5]? ? autopilot.state['aux3'] = rc_chs[6]? ? autopilot.state['aux4'] = rc_chs[7]? ? aux3_raw =?int(autopilot.state['aux3'])? ? autopilot_mode = autopilot.state['bee_state']? ? if aux3_raw ==?1000:? ? ? ? autopilot_mode =?'OFF'? ? elif aux3_raw ==?1503:? ? ? ? mavs.prepare_go_forward(previous_throttle)? ? ? ? time.sleep(0.1)? ? elif aux3_raw ==?2000:? ? ? ? autopilot_mode =?'READY'? ? if autopilot_mode != autopilot.state['bee_state']:? ? ? ? autopilot.state['bee_state'] = autopilot_mode? ? ? ? messages.display(? ? ? ? ? ? ? ? ? ? messages.bee_state_changed_to, [autopilot_mode])? ? ? ? command_queue.queue.clear()

你可能已經(jīng)注意到，中間值（1503）會(huì)觸發(fā)自動(dòng)駕駛儀執(zhí)行其主要場(chǎng)景的準(zhǔn)備步驟，盡管它并未分配一個(gè)獨(dú)特的模式名稱。我做出這一選擇是有意的，并且完全清楚它偏離了預(yù)期的架構(gòu)。然而，我認(rèn)為代碼中至少有一處不完美是可以接受的——細(xì)心的開(kāi)發(fā)者可能會(huì)很快發(fā)現(xiàn)并糾正這一點(diǎn)。

遙測(cè)

如前所述，遙測(cè)線程負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)監(jiān)控和遙測(cè)請(qǐng)求的命令排隊(duì)。它為自動(dòng)駕駛儀提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如當(dāng)前高度、飛機(jī)速度和實(shí)時(shí)RC通道值。

importtimeimportautopilotimportmessagesimportrouterimportdefinitionsasvarsdeftelemetry_requestor(stop_command): whileautopilot.state['connection'] ==Falseandnotstop_command.is_set(): try: time.sleep(5) messages.display(messages.telemetry_process_connecting, [vars.companion_computer]) exceptExceptionase: messages.display(messages.fatal_error, [e]) pass ifnotstop_command.is_set(): messages.display(messages.telemetry_process_connected, [vars.companion_computer]) whilenotstop_command.is_set(): try: router.put_command(router.Command(2,'MONITOR',{'target':'MSP_ANALOG'})) router.put_command(router.Command(2,'TELEMETRY',{'target':'MSP_ALTITUDE'})) router.put_command(router.Command(1,'TELEMETRY',{'target':'MSP_RC'})) time.sleep(4) except: pass stopped_time = time.strftime("%H:%M:%S, %Y, %d %B", time.localtime()) messages.display(messages.telemetry_requestor_done, [stopped_time])

遙測(cè)請(qǐng)求以2秒的間隔添加到隊(duì)列中。

如上所示，MSP_ALTITUDE和MSP_ANALOG請(qǐng)求每2秒發(fā)送一次，以為自動(dòng)駕駛儀提供當(dāng)前高度和飛機(jī)速度數(shù)據(jù)。同時(shí)，MSP_RC值對(duì)于模式切換和整體控制至關(guān)重要，因此每秒請(qǐng)求一次，以確保對(duì)自主飛行器的更響應(yīng)和高效控制。

空載駕駛儀

空載駕駛儀線程管理與向前飛行和有效載荷投放相關(guān)的命令排隊(duì)，如炸彈投放。這些命令每1秒添加到隊(duì)列中。

defgo_forward(): set_row_rc( vars.default_roll, vars.default_pitch +20, vars.default_yaw, int(autopilot.state['throttle']), vars.default_servo_aux2) wait_for_execution('go_forward') set_row_rc( vars.default_roll, vars.default_pitch, vars.default_yaw, int(autopilot.state['throttle']), vars.default_servo_aux2) wait_for_execution('go_forward') returnTruedefdeliver(): set_row_rc( vars.default_roll, vars.default_pitch, vars.default_yaw, int(autopilot.state['throttle']), 2000)# 2000 to open the servo-device (to deliver the bomb) wait_for_execution('deliver') returnTrue

當(dāng)FPV操作員將飛行器切換到READY模式時(shí)，它會(huì)向前飛行2秒，然后投放炸彈。這一邏輯在commands.py文件中的go_forward()和deliver()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

MSP命令

在邏輯層面，命令路由器（router.py）通過(guò)執(zhí)行commands.py中的命令來(lái)管理駕駛儀邏輯。這些命令在更低的邏輯層面上封裝了更精確的FPV無(wú)人機(jī)控制。

importserialimporttimeimportautopilotimportdefinitionsasvarsimportmsp_helperasmspcommand_delays = { 'go_forward':2, 'deliver':1}command_target_ids = { 'MSP_ANALOG': msp.MSP_ANALOG, 'MSP_ALTITUDE': msp.MSP_ALTITUDE, 'MSP_RC': msp.MSP_RC}serial_port = {}defwait_for_execution(target, delay=0): ifdelay ==0: delay = command_delays.get(target) time.sleep(delay)defget_target_id(target): returnint(command_target_ids.get(target))defconnect(): globalserial_port serial_port = serial.Serial( vars.companion_computer, vars.companion_baud_rate, timeout=1)defdisconnect(): serial_port.close()defreboot(): disconnect() time.sleep(1) connect()defset_row_rc(roll, pitch, yaw, throttle, servo_aux): # ROLL/PITCH/THROTTLE/YAW/AUX1/AUX2/AUX3/AUX4 data = [roll, pitch, throttle, yaw,0, servo_aux,0,0] msp.send_msp_command(serial_port, msp.MSP_SET_RAW_RC, data) msp_command_id, payload = msp.read_msp_response(serial_port) ifmsp_command_id != msp.MSP_SET_RAW_RC: returnFalse returnTruedefcopter_init(): # connect() returnset_row_rc( vars.default_roll, vars.default_pitch, vars.default_yaw, vars.default_throttle, vars.default_servo_aux2)deftelemetry(target): msp_target_command_id = get_target_id(target) msp.send_msp_request(serial_port, msp_target_command_id) time.sleep(0.1) msp_command_id, payload = msp.read_msp_response(serial_port) ifmsp_command_id == msp_target_command_id: returnpayload return{}defprepare_go_forward(throttle): set_row_rc( vars.default_roll, vars.default_pitch, vars.default_yaw, int(throttle), vars.default_servo_aux2)

如上所示，它處理主要場(chǎng)景的準(zhǔn)備prepare_go_forward(throttle)、遙測(cè)請(qǐng)求telemetry(target)和系統(tǒng)監(jiān)控。此外，它還管理四軸飛行器的初始化connect()，并將AUX通道配置為某些特定值set_row_rc(roll, pitch, yaw, throttle, servo_aux)，從而在無(wú)人機(jī)自動(dòng)飛行期間實(shí)現(xiàn)自主控制和操作。

MSP助手

在自主飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)由Betaflight固件通過(guò)伴侶計(jì)算機(jī)（樹(shù)莓派）使用MSP協(xié)議進(jìn)行控制，如前所述。該協(xié)議提供有關(guān)無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，并啟用飛行控制（偏航、俯仰、橫滾、油門(mén)）以及通過(guò)切換AUX通道來(lái)控制伺服機(jī)構(gòu)。

為了封裝所有與低級(jí)或協(xié)議特定通信相關(guān)的功能，我實(shí)現(xiàn)了msp_helper.py模塊。

importstruct# MSP command IDsMSP_ANALOG =110MSP_ALTITUDE =109MSP_RC =105MSP_SET_RAW_RC =200defget_checksum(msp_command_id, payload): checksum =0 length =len(payload) forbyteinbytes([length, msp_command_id]) + payload: checksum ^= byte checksum &=0xFF returnchecksumdefsend_msp_command(serial_port, msp_command_id, data): payload =bytearray() forvalueindata: payload += struct.pack('<1H', value)? ? header =?b'$M<'? ? length =?len(payload)? ? checksum = get_checksum(msp_command_id, payload)? ? msp_package = header +?bytes([length, msp_command_id]) + payload +?bytes([checksum])? ? serial_port.write(msp_package)def?send_msp_request(serial_port, msp_command_id):? ? header =?b'$M<'? ? length =?0? ? checksum = get_checksum(msp_command_id,?bytes([]))? ? msp_package = header + struct.pack(', length, msp_command_id) +?bytes([checksum])? ? serial_port.write(msp_package)def?read_msp_response(serial_port):? ? response = serial_port.readline()? ? if?response.startswith(b'$M>'): length = response[3] msp_command_id = response[4] payload = response[5:5+ length] returnmsp_command_id, payload else: raiseValueError("Invalid MSP response")

如上所示，msp_helper.py封裝了發(fā)送MSP命令、發(fā)送MSP請(qǐng)求、計(jì)算校驗(yàn)和以及讀取MSP響應(yīng)等命令。為了我們的自動(dòng)駕駛儀的目的，我只包含了四個(gè)MSP命令：MSP_ANALOG、MSP_ALTITUDE、MSP_RC和MSP_SET_RAW_RC。然而，MSP協(xié)議還支持許多其他命令。

消息和日志

在運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)駕駛儀會(huì)生成并向各種目標(biāo)（包括應(yīng)用程序控制臺(tái)）發(fā)送消息，同時(shí)還會(huì)將消息和日志存儲(chǔ)在日志文件中。每次自動(dòng)駕駛儀啟動(dòng)時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的日志文件。

FPV無(wú)人機(jī)的飛行記錄

日志文件保存在Logs文件夾中，可以在無(wú)人機(jī)飛行后的任何時(shí)間進(jìn)行查看。與飛機(jī)上的“黑匣子”類似，這些文件有助于分析飛行情況并調(diào)查可能發(fā)生的任何緊急情況。

我強(qiáng)烈建議將logger.py設(shè)置為DEBUG模式以捕獲詳細(xì)信息。這一做法將最大限度地從日志中學(xué)習(xí)，并促進(jìn)你的FPV戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)版本的自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)隨著每次飛行而不斷改進(jìn)。

下一步是什么？

本指南為構(gòu)建與Betaflight固件兼容的自動(dòng)駕駛儀提供了一個(gè)基礎(chǔ)模板。如果你正在考慮開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛儀，那么本指南將是一個(gè)很好的起點(diǎn)。你可以通過(guò)融入計(jì)算機(jī)視覺(jué)、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)跟隨、巡航控制等高級(jí)功能來(lái)增強(qiáng)它。