一款基于樹(shù)莓派CM4的機(jī)載電腦

在視覺(jué)避障的應(yīng)用場(chǎng)景中，往往需要一個(gè)機(jī)載電腦作為算力單元。Nvidia針對(duì)此類應(yīng)用場(chǎng)景推出了Jetson系列AI開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(guó)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(dòng)的更新常常嚴(yán)重滯后。樹(shù)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(jué)避障系統(tǒng)中。
 

近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)已進(jìn)入高速發(fā)展階段,已從過(guò)去執(zhí)行單一任務(wù)、完成簡(jiǎn)單功能的初級(jí)無(wú)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(wú)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(lái)先進(jìn)無(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)。流行的開(kāi)源飛控源代碼有PX4和Ardupilot兩大陣營(yíng),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(dòng)傳感器，電子羅盤，GPS定位信息等）的信號(hào)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(méi)有多余的算力來(lái)滿足智能化要求。因而增加一個(gè)機(jī)載電腦來(lái)提供額外算力是業(yè)界通行的方法。
   
樹(shù)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(shù)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(chǎng)景多少都能找到一些例程，這點(diǎn)對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)也很重要。
   
使用CM4計(jì)算模塊，需要自行設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的底板。不過(guò)在設(shè)計(jì)的底板上，接口可以做成直接跟飛控對(duì)接；通過(guò)集成DC-DC芯片，也可以做到直接從動(dòng)力電池供電。整體來(lái)說(shuō)，采用CM4+底板的方式會(huì)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(shù)莓派燒寫鏡像。這里選用帶EMMC的CM4型號(hào)，因?yàn)樵谡饎?dòng)中SD卡座并不是那么可靠。

• 通過(guò)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(shù)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(cè)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(guò)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(cè)試：
1）系統(tǒng)老化24小時(shí)無(wú)死機(jī)重機(jī)
2）有線網(wǎng)測(cè)試正常
3）WIFI測(cè)試正常
4）4個(gè)USB端口測(cè)試正常
5）I2C接口測(cè)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(cè)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(cè)(Mavlink)數(shù)據(jù)和攝像頭視頻通過(guò)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(jiǎn)介、數(shù)據(jù)手冊(cè)、安裝步驟請(qǐng)見(jiàn)附件下載。