树莓派与Arduino如何协同控制无人机？

下面我将为你详细拆解这个项目，从为什么选择这个组合，到各自的角色分工，再到具体的实现步骤和注意事项。

为什么是“树莓派 + Arduino”的组合？

这是一个典型的“上位机 + 下位机”架构，两者协同工作，实现1+1 > 2的效果。

简单比喻：

• 树莓派 就像无人机飞行员的大脑，他负责看地图（GPS）、规划航线（路径规划）、观察周围环境（摄像头）、并通过无线电（WiFi/遥控器）接收指令。
• Arduino 就像飞行员的脊髓和神经末梢，它负责大脑发出“向上飞”的指令后，立刻精确地控制四个电机的转速，并实时感知陀螺仪的姿态变化,快速做出微调。

树莓派和Arduino的具体分工

树莓派 的工作：

1. 高层控制：

   • 飞行模式管理：切换手动/自动模式、返航模式等。
   • 传感器融合：融合GPS、气压计、磁力计的数据,提供更精确的位置和姿态信息。
   • 航路点导航：在自动模式下,根据预设的航路点进行飞行。
   • 计算机视觉：通过CSI摄像头或USB摄像头进行图像识别（如目标跟踪、视觉着陆）。
   • 通信枢纽：
     • 作为WiFi热点，与地面站（如QGroundControl, Mission Planner）或电脑通信。
     • 通过蓝牙连接遥控器或手机App。
     • 通过串口与Arduino通信。

2. 人机交互：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 运行地面站软件，显示实时数据（电池电压、高度、速度、GPS坐标等）。
   • 接收并解析遥控器信号（通常通过USB或蓝牙）。

Arduino 的工作：

1. 底层实时控制：

   • 电机控制：接收树莓派的油门、姿态指令，通过PID算法精确计算出四个电机的转速,并驱动电调。
   • 姿态读取：以极高的频率（例如500Hz或1000Hz）读取IMU（惯性测量单元，包含陀螺仪和加速度计）的数据。

2. 传感器数据采集：

   • 读取超声波或激光雷达的高度数据。
   • 读取电池电压分压值,用于低电压报警。
   • 将所有这些实时数据（IMU、电机状态、电池电压等）打包,通过串口发送给树莓派。

3. 安全监控：

   监控与树莓派的通信，如果长时间收不到指令（例如树莓派死机），可以触发紧急停机或安全着陆，防止“炸机”。

   
   （图片来源网络，侵删）

项目实现步骤概览

第1步：硬件准备

1. 飞行平台：

   • 机架：选择一个四轴或六轴的机架（如F450, F550）。
   • 电机和电调：根据机架和总重量选择合适的无刷电机和电调。
   • 螺旋桨：匹配电机型号的正反螺旋桨。
   • 电池：高倍率（如C25或更高）的锂聚合物电池，如6S 5000mAh。
   • 电源分布板：将电池电压分配给各个设备,并提供稳压输出。

2. 核心计算单元：

   • 树莓派：推荐树莓派4B或更新版本,性能更强。
   • Arduino：推荐Arduino Nano或Arduino Pro Mini，体积小,性能足够。

3. 传感器套件：

   • IMU (惯性测量单元)：MPU6050, ICM-20948或更高级的BMI270,这是姿态控制的核心。
   • GPS模块：支持UBlox的GPS模块（如NEO-M8N）,用于定位和自动飞行。
   • 气压计：BMP280或MS5611,用于测量高度。
   • 超声波/激光雷达：用于定高飞行（可选，但强烈推荐）。

4. 通信与连接：

   • 遥控器和接收机：用于手动控制。
   • 串口转TTL模块：用于树莓派和Arduino之间的通信（如果树莓派没有串口）。
   • 杜邦线、线材、扎带：用于所有设备的连接和固定。

第2步：软件环境搭建

1. 树莓派系统：

   • 在SD卡上安装Raspberry Pi OS (推荐64位版本)。
   • 更新系统：sudo apt update && sudo apt upgrade
   • 安装Python和必要的库：
     • sudo apt install python3-pip
     • pip3 install pyserial numpy (用于串口通信和数学计算)
     • 可能还需要OpenCV：sudo apt install python3-opencv

2. Arduino IDE：

   • 在树莓派或电脑上安装Arduino IDE。
   • 安装所需的库，如：Adafruit_BMP280_Library (用于气压计), TinyGPSPlus (用于GPS解析)。

第3步：硬件组装与接线

1. 组装机架：按照说明书组装好机架、电机臂和起落架。
2. 安装核心板：将树莓派和Arduino牢固地安装在机架的中心板上，注意做好减震（使用海绵或减震球）。
3. 接线：
   • Arduino接线：
     • IMU -> Arduino的I2C引脚。
     • 超声波 -> Arduino的数字引脚。
     • 电池电压分压 -> Arduino的模拟引脚。
     • 电调信号线 -> Arduino的PWM引脚（或使用I2C/SPI转PWM板，如PCA9685）。
     • Arduino的TX/RX引脚 -> 串口转TTL模块 -> 树莓派的串口引脚。
   • 树莓派接线：
     • GPS模块 -> 树莓派的串口引脚。
     • 遥控器接收机 -> 树莓派的USB口或通过PPM信号接入GPIO。
     • CSI/USB摄像头 -> 树莓派的CSI接口或USB口。
     • 电源：通过一个5V的BEC或UBEC为树莓派供电,或者使用专门的树莓派电源模块。

第4步：编程与联调（这是最核心的部分）

1. 编写Arduino固件：

   • 初始化：设置串口波特率、I2C、IMU。
   • 主循环： a. 以极高频率读取IMU数据。 b. 读取其他传感器数据（高度、电池电压）。 c. 通过串口不断向树莓派发送“心跳包”和传感器数据。 d. 关键功能：通过串口接收来自树莓派的指令（如目标油门、目标姿态角），运行PID控制器,计算并输出给四个电机的PWM值。

2. 编写树莓派Python脚本：

   • 初始化：设置串口连接,打开遥控器设备。
   • 主循环： a. 发送指令：通过串口向Arduino发送控制指令，在手动模式下，将遥控器的油门、通道值打包发送；在自动模式下，发送计算好的目标姿态和油门。 b. 接收数据：通过串口接收Arduino发来的IMU、电池等数据，并解析。 c. 高层逻辑处理：

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