2. 二次开发入门教程

Ardupilot开源无人机二次开发入门系列教程

教程视频：https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzkyNzI1MDUyNw==&action=getalbum&album_id=2014808821755379715&scene=173&from_msgid=2247485616&from_itemidx=1&count=3&nolastread=1#wechat_redirect
Z410-4B单目版教程

Z410单目版在基础版配置上，扩展了树莓派4B机载电脑。目前该系统集成了数据遥测转发，高清视频回传，ROS，mavros，Dronekit-python等。我们需要先配置好网络，通过PC远程连接到树莓派，进而实现对无人机的操作。
树莓派能做什么，为什么要扩展树莓派？

树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，英文名：Raspberry Pi。是一款入门及的机载电脑。它能够通过串口连接使用 MAVLink 协议与飞控进行通信。这可用于执行额外的任务，例如：通过python、ROS编程实现对无人机的飞行控制；通过安装单目相机实现图像识别，由于存储图像的内存要求，单靠飞控根本无法完成这些任务。
如何对无人机的树莓派进行操作？
2.1 建立网络连接：
将电池插上BB响报警器，绑扎在底板上。无人机连接电池插口，即可启动。启动后先不要挪动无人机，等待飞控和树莓派启动系统，大概2分钟左右。系统启动后自动启动WIFI热点。

WIFI****名称：ACopter

密码：12345678

将笔记本WIFI连接到树莓派热点。

注意!
WIFI信号范围最大30米左右。
2.2 使用树莓派遥测转发功能，将无人机与地面站进行连接
树莓派集成了飞控数据遥测转发的功能，相当于一个路由器。这样我们可以通过WIFI网络远程连接飞控和PC端地面站软件。

演示视频：

注意!
如果不能通过UDP连接，请先关闭windows防火墙。
2.3 使用树莓派的图传功能，可实时回传视频到地面站
树莓派集成了高清图传回传功能，可以将USB摄像头拍摄的实时高清信号图像回传到PC端地面站软件、或则图像播放软件，如：VLC media player。

下载链接：https://www.videolan.org/
MP地面站软件显示高清视频需要先安装GStreamer。

下载链接及教程： https://pan.baidu.com/s/1AyvQNj2m4E4fMHS6JYnpJA

提取码:f7c3
安装好GStreamer以后，视频回传操作参考以下视频：
2.4 PC访问树莓派的3种方式：
方法1：windows系统下通过远程桌面访问树莓派：

1.打开windows远程桌面；

2.填入树莓派IP：10.42.0.10，点连接；

3.在终端输入用户名：ubuntu，密码：123456abc；

4.确认后即可连接到树莓派桌面(注意：远程桌面连接占用带宽比较大，速度略有卡顿是正常的。
参考视频：

方法1优点：有桌面系统，直观可看。对初学者来说比较容易接受；

方法1缺点：远程桌面会占用很多资源，导致卡顿；
方法2：windows系统下通过PUTTY访问树莓派：
1. 在PC端安装PuTTY，下载链接：https://the.earth.li/~sgtatham/putty/latest/w64/putty-64bit-0.75-installer.msi
2. 启动PuTTY，填写树莓派IP：10.42.0.10，密码：123456abc
参考视频：

方法2优点：访问执行速度快，需要同时使用MP地面站和终端命令行比较方便；

方法2缺点：命令行显示，对初学者来说不直观；需要远程调用ubuntu系统下的窗口不能用这个方法。
方法3：ubuntu系统下远程访问树莓派：

1.笔记本打开一个终端，使用下面的命令修改笔记本上的hosts文件：
```
sudo vim /etc/hosts
```
将树莓派4b的IP地址（10.42.0.10）加入到hosts文件中，并保存退出。

参考视频：

关于vim编辑器的使用，可以参考以下教程的部分内容：

https://mp.weixin.qq.com/s/BEIZ9fa09WYrImbKcRT7NA

方法3优点：执行速度快，ubuntu系统下可以做更多的开发

方法3缺点：不能同时使用MP地面站
2.5 树莓派的关机操作

注意！
树莓派是机载电脑，突然断电有可能造成系统损坏无法开机。建议大家使用以下2种方式进行正常的关机操作。
方法1: 在命令行终端，输入关机命令
```
sudo halt
```
方法2：通过web管理界面关机
参考视频：

注意！
树莓派关机以后，等待大概1分钟左右，树莓派电源指示灯熄灭，再断开无人机电池。
2.6 使用Dronekit测试连接飞控并读取状态数据
Dronekit介绍：

Dronekit也叫DroneKit-Python，是一个用于控制无人机的Python库。有了它你就可以在机载电脑上通过Python编程实现对无人机的控制。它可以显着增强自动驾驶性能，为飞行器增加更多智能，以及执行计算密集或时间敏感的任务（例如，计算机视觉，路径规划或3D建模）。除了DroneKit-Python以外，还有DroneKit-Android以及DroneKit-Cloud的API供不同的开发者使用。API通过MAVLink与飞控通信。它提供对连接飞控的遥测，状态和参数信息的编程访问，并实现任务管理和对飞行器运动和操作的直接控制。

相比之下，Dronekit比搭建ros来控制无人机更容易上手一些。

对于Dronekit，PX4(原生固件)被支持的较少，目前不可以进行模式切换。而对Ardupilot(APM固件)支持的比较多，可调用的函数也比较多。

单目版机型我们已经在树莓派上安装好Dronekit，并且在根目录下有一个test文件夹，存放了几个演示示例，大家可以根据下面的教程操作。
如果想了解树莓派与pixhawk飞控具体如何连接，以及如何安装dronekit的过程，可参考以下链接有详细介绍：

第一节：https://mp.weixin.qq.com/s/lNzoFQqN9q4wPaaZBy5fYg

第二节：https://mp.weixin.qq.com/s/QXWT8NOLXToO6n0zwFZoRA
1.运行连接示例

使用Dronekit代码读取飞控当前状态，测试树莓派与飞控之间通讯是否正常：

1.无人机连接电池，笔记本开启一个终端窗口；

2.通过ssh命令，连接无人机上的树莓派；

3.将路径切换到test文件夹：
```
cd test
```
4.运行connect.py脚本：
```
python2 connect.py
```
成功运行后,会显示如下信息:

说明树莓派通过Dronekit读取到了目前飞控的数据：系统警报、固件版本、姿态数据、电池电量、解锁状态、当前飞行模式等等。这样就成功运行了第一个DroneKit-Python脚本。

注意！
如若出现连接异常超时警报，请检查物理连接(usb转TTL模块)是否连接好；或则打开connect.py程序查看连接端口是否为ttyUSB0；无人机通电后如果长时间没有使用串口，串口有可能关闭，无人机重新启动，再执行以上程序。

如果想查看connect.py脚本，可通过vim编辑器查看，执行如下命令：
```
sudo vim connect.py
```
其中脚本注释如下：

飞控软件版本

print "Autopilot Firmware version:%s"% vehicle.version

全球定位信息（经纬度，高度相对于平均海平面）
```
print "Global Location:%s"% vehicle.location.global_frame
```

全球定位信息（经纬度，高度相对于home点）

print "Global Location (relative alttud):%s"%vehicle.location.global_relative_frame

相对home点的位置信息（向北、向东、向下）；解锁之前返回None
```
print "Local Location:%s"%vehicle.location.local_frame
```
无人机朝向（欧拉角：roll，pitch，yaw，单位为rad，范围-π到+π）
```
print "Attitude:%s"% vehicle.attitude
```
三维速度（m/s）
```
print "Velocity:%s"% vehicle.velocity
```
GPS信息
```
print "GPS:%s"% vehicle.gps_0
```

地速（m/s）

print "Groundspeed:%s"% vehicle.groundspeed

空速（m/s）
```
print "Airspeed:%s"% vehicle.airspeed
```
云台信息（得到的为当前目标的roll, pitch, yaw，而非测量值。单位为度）
```
print "Gimbal status:%s"% vehicle.gimbal
```
电池信息
```
print "Battery:%s"% vehicle.battery
```
EKF（拓展卡曼滤波器）状态
```
print "EKF OK?:%S"% vehicle.ekf_ok
```

超声波或激光雷达传感器状态

print "Rangefinder:%s"% vehicle.rangefinder

无人机朝向（度）
```
print "Heading:%s"% vehicle.heading
```

是否可以解锁

print "Is Armable?:%s"% vehicle.is_armable

系统状态

print "System status:%s"% vehicle.system_status.state

当前飞行模式
```
print "Mode:%s"% vehicle.mode.name
```
解锁状态
```
print "Armed:%s"% vehicle.armed
```
2.7 启动SITL仿真环境并运行python示例

在test文件夹下我们有几个演示脚本，如果单纯的运行脚本新手没有直观的感受。我们可以结合无人机仿真环境，来学习脚本具体的执行过程。

前面笔记本上安装好ubuntu系统镜像，里面已经搭建好了Ardupilot开发环境。SITL仿真也就包含其中。

需要注意：DroneKit-SITL目前仅为Mac，Linux和Windows提供x86二进制文件。不能在树莓派这样的ARM平台上运行它。

我们执行的python脚本是在树莓派系统上，而 SITL仿真环境是搭建在笔记本系统上的。
1.树莓派端，进入test目录
```
cd test
```
2.编辑example2.py
```
sudo vim example2.py
```
将其中连接端口改为connection_string = '10.42.0.10:14550' 为树莓派IP端口。

脚本里面都配有详细注解，大家可根据注解来理解 dronekit的基本使用。
3.笔记本端，首先要进入需要仿真的多旋翼无人机的目录下：
```
cd ardupilot/Arducopter
```
第一次运行，需要执行下面的命令对仿真环境进行初始化
```
sim_vehicle.py -w
```
或则是仿真参数被改的乱七八糟的时候，也可用这个命令恢复初始参数。

启动完毕，使用 Ctrl+C 终止正在运行的sim_vehicle.py -w
4.接下来就可以启动模拟器了：
```
sim_vehicle.py --console --map
```
正常启动后，就会看到三个窗口：Terminal, Console, Map，这样最基本的软件在环仿真程序就运行起来了。
5.启动后通过output命令列出MAVProxy转发数据的接口，如下所示：
6.使用output add命令增加树莓派IP接口：
```
output add 10.42.0.10:14550
```
与example2.py代码中端口地址一致。
7.树莓派端执行：

运行example2.py代码
```
python2 example2.py
```
参考视频：
8.我们还可以将航点文件导入SITL进行演示，具体参考如下视频
2.8 SITL仿真结合MP地面站运行python示例

首先，将树莓派无人机接上电池，确保 ubuntu电脑，MP地面站电脑都连接到树莓派WIFI热点。
MP地面站电脑：

要在MP上显示仿真，遥测连接务必断开。因为遥测连接的是实际的飞控，做仿真需要连接仿真数据。

ubuntu笔记本端：

启动SITL仿真
```
cd ~/ardupilot/Arducopter
sim_vehicle.py --console --map
```
使用output add命令，增加树莓派的IP：
```
output add 10.42.0.10:14550
```
再使用output add命令，增加MP地面站的IP，MP地面站IP地址在遥测页面查看：
```
output add 10.42.0.170:14551
```
树莓派端：

运行示例代码：
```
cd test
python2 example2.py
```
以下视频演示SITL仿真如何结合MP地面站运行

SITL与MP地面站结合运行，那么我们可以直接在MP地面站的全部参数列表里，查找需要修改的参数进行修改。

有关SITL仿真的详细介绍，可查看以下链接：

https://ardupilot.org/dev/docs/using-sitl-for-ardupilot-testing.html
2.9 使用Python脚本控制无人机飞行

根据dronekit的官方示例，我们编写了几个简单的程序控制无人机飞行。

编写完以后先在SITL仿真环境下运行看看是否和预想的一致。没有问题后，再连接无人机实地飞行。

example5.py控制无人机起飞到3米高度，然后悬停5秒，再自动降落；

大家可根据我们提供的示例，结合自己的实际情况，编写控制程序。
Dronekit室外控制无人机起飞降落演示：

example4.py在室外空旷处，此脚本控制无人机起飞到3米高度，然后飞出一个2米*2米的正方形，再自动降落。

Dronekit室外控制无人机飞出一个正方形演示：

还有值得注意的是，python脚本中设置属性：

少数的属性变量可以被设置，通过设置这些属性变量，可以控制无人机的运行状态。可设置的属性变量如下：
```
vehicle.home_location
vehicle.gimbal
vehicle.airspeed
vehicle.groundspeed
vehicle.mode
vehicle.armed
vehicle.disarmed
```
设置示例：

1.锁定无人机：
```
vehicle.disarmed = False
```
2.切换到GUIDED模式：
```
vehicle.mode = VehicleMode("GUIDED")
```
3.设置航点模式下，无人机飞行的地速为3.2m/s（注意：读、写groundspeed的意义不同）
```
print "Param:%s"% vehicle.parameters['THR_MIN']
vehicle.groundspeed = 3.2
```
读取参数

参数以字典（dictionary）的形式，存储在vehicle.parameters变量中。具体参数的名称即为相应的键值（key）。

例如，在屏幕上显示THR_MIN参数（THR_MIN代表油门处于最低时的电机怠速，以PWM值表示）：
```
print "Param:%s"% vehicle.parameters['THR_MIN']
```

显示全部参数：

print "\nPrint all parameters (iterate`vehicle.parameters`):"
for key, value in vehicle.parameters.iteritems():
point " Key:%s Value:%s"%(key,value)

设置参数

使用读取参数类似的方法，即可设置参数：
```
vehicle.parameters['THR_MIN']=100
```
以上只是截取了部分使用较多的知识点进行介绍，完整的教程可以到官网查看。
关于dronekit的一些参考资料：

有关项目文档，请访问https://readthedocs.org/projects/dronekit-python/ 。这包括指南，示例和API参考资料。

示例源代码托管在Github上，作为/ dronekit-python / examples 的子文件夹。

DroneKit论坛 是寻求有关如何使用该库的技术支持的最佳场所。也可以查看Gitter channel 。

说明文件：https://dronekit-python.readthedocs.io/en/latest/about/index.html

指南：https://dronekit-python.readthedocs.io/en/latest/guide/index.html

API参考：https://dronekit-python.readthedocs.io/en/latest/automodule.html

例子：/dronekit-python/examples

论坛：https://github.com/dronekit/dronekit-python/issues

Gitter: https://gitter.im/dronekit/dronekit-python
Z410树莓派无人机机器视觉入门系列教程

https://mp.weixin.qq.com/s/g3utWpZIenJYKK7lpG5xKQ

Z410-4B视觉版操作教程