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一款基于樹莓派CM4的機(jī)載電腦

2021/09/09
1966
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在視覺避障的應(yīng)用場景中,往往需要一個(gè)機(jī)載電腦作為算力單元。Nvidia針對此類應(yīng)用場景推出了Jetson系列AI開發(fā)平臺,有強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力和軟件堆棧以及超低得能耗,但是價(jià)格較為昂貴,不利于推廣。國內(nèi)各種山寨"PI"價(jià)格是便宜了,但是軟件支持極為不好,系統(tǒng)和驅(qū)動的更新常常嚴(yán)重滯后。樹莓派能提供一定的算力,價(jià)格適中,軟件的支持很好,適用于小型低成本的視覺避障系統(tǒng)中。
 

近年來無人機(jī)技術(shù)已進(jìn)入高速發(fā)展階段,已從過去執(zhí)行單一任務(wù)、完成簡單功能的初級無人機(jī)發(fā)展到如今集自主化、智能化等功能于一體的多功能綜合無人機(jī)。隨著實(shí)時(shí)信息網(wǎng)絡(luò)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,未來先進(jìn)無人機(jī)最終要達(dá)到有權(quán)限的自主和完全自主控制.

目前在開源飛控領(lǐng)域比較流行的是pixhawk系列飛控,這種飛控的源代碼是完全公開的,用戶可以從GitHub上免費(fèi)下載,用于學(xué)習(xí)研究和二次開發(fā)。流行的開源飛控源代碼有PX4和Ardupilot兩大陣營,這兩種代碼編譯生成的固件都能運(yùn)行在Pixhawk飛控硬件上(類似于你買了一個(gè)電腦,可以安裝Windows操作系統(tǒng)也可以安裝Linux操作系統(tǒng))。Pixhawk系列飛控大多采用STM32系列單片機(jī)作為主控器。STM32單片機(jī)運(yùn)算能力是比較弱的,完成各類必需的傳感器(比如運(yùn)動傳感器,電子羅盤,GPS定位信息等)的信號讀取并完成姿態(tài)解算,然后去控制電機(jī),這幾個(gè)步驟已經(jīng)消耗了大部分的單片機(jī)算力,完全沒有多余的算力來滿足智能化要求。因而增加一個(gè)機(jī)載電腦來提供額外算力是業(yè)界通行的方法。
   
樹莓派CM4是很有性價(jià)比的計(jì)算模塊,幾百塊就能擁有一個(gè)機(jī)載電腦,4核心64位 ARM Cortex-A72 CPU性能也還可以。樹莓派的軟件更新很正規(guī)和及時(shí),用戶基數(shù)也很多,各種應(yīng)用場景多少都能找到一些例程,這點(diǎn)對開發(fā)者來說也很重要。
   
使用CM4計(jì)算模塊,需要自行設(shè)計(jì)對應(yīng)的底板。不過在設(shè)計(jì)的底板上,接口可以做成直接跟飛控對接;通過集成DC-DC芯片,也可以做到直接從動力電池供電。整體來說,采用CM4+底板的方式會大大優(yōu)化接線和體積。本產(chǎn)品的原理框圖設(shè)計(jì)如下:

USB device用于樹莓派燒寫鏡像。這里選用帶EMMC的CM4型號,因?yàn)樵谡饎又蠸D卡座并不是那么可靠。

  • 通過VL805芯片從PCIE轉(zhuǎn)出4路USB接口,用于各種USB外設(shè),比如USB攝像頭,4G網(wǎng)卡,調(diào)試鍵盤等等。
  • MicroHDMI接口可用于外接顯示器。
  • CSI接口用于連接樹莓派支持的各種高清攝像頭,做視頻采集。
  • 串口0用于連接飛控,接入飛控的遙測數(shù)據(jù)。
  • 串口3預(yù)留,暫不使用,可當(dāng)普通IO口使用。
  • SPI接口預(yù)留,暫不使用,可當(dāng)普通IO口使用。
  • 千兆以太網(wǎng)接口可提供更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

實(shí)物:經(jīng)過3個(gè)月的努力,一共打了兩次板,目前產(chǎn)品的功能已經(jīng)全部正常。為產(chǎn)品設(shè)計(jì)了鋁合金外殼和包裝盒,已經(jīng)比較產(chǎn)品化了。

目前做了如下測試:
1)系統(tǒng)老化24小時(shí)無死機(jī)重機(jī)
2)有線網(wǎng)測試正常
3)WIFI測試正常
4)4個(gè)USB端口測試正常
5)I2C接口測試正常
6)程序燒寫功能正常
7)串口0連接飛控正常
8)串口3和SPI按GPIO測試連通性,各個(gè)PIN連接正常。

該項(xiàng)目第一種應(yīng)用是當(dāng)作數(shù)傳和圖傳,把飛控的遙測(Mavlink)數(shù)據(jù)和攝像頭視頻通過WIFI網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)送到遠(yuǎn)端的地面站。這種應(yīng)用方式是基于Rpanion-server軟件實(shí)現(xiàn)的。

更多產(chǎn)品簡介、數(shù)據(jù)手冊、安裝步驟請見附件下載。

  • Rpanion-Server安裝步驟.pdf
  • 產(chǎn)品簡介及數(shù)據(jù)手冊.rar

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