APM飞控学习之路：2 四旋翼的工作原理与系统组成
工作原理
四旋翼飞行器，通过4个对称布置的电机，改变螺旋桨的转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。姿态具体指3个欧拉角：横滚（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）。位置具体指1个高度油门（Throttle）和2个位置（X和Y）。欧拉角是一种描述物体姿态的常见方式，广泛应用于惯性导航、机器人等领域。为了方便大家理解，在网上找了3个欧拉角的动图，分别为Roll、Pitch、Yaw，让我们致敬制作者3秒钟。
横滚：Roll，控制四旋翼左右运动。
俯仰：Pitch，控制四旋翼前后运动。
偏航：Yaw，控制四旋翼的朝向。
无人机的姿态和位置共有6个自由度，每个自由度的控制如下图所示。4个电机2个正转（电机2和4），2个反转（电机1和3），对称布置。电机正反转配合正反桨，可使螺旋桨的风都往下刮以平衡重力，同时抵消因桨叶旋转带来的空气阻力扭矩。由于输入只有4个自由度，因此多出的2个自由度是不完全受控的，其中俯仰运动和前后运动耦合，滚转运动和侧向运动耦合。
坐标系：标准右手系。规定X轴正方向为前向。螺旋桨的箭头向上↑：电机转速上升。螺旋桨的箭头向下↓：电机转速下降。
（a） 垂直运动（Throttle）：4个电机均加大马力，螺旋桨产生的升力大于重力，飞机便垂直上升。当升力与重力平衡时，飞机便悬停。悬停是考验算法的重要一环，靠的是PID不断反馈，调整转速。
（b） 俯仰运动（Pitch）：电机1加大马力，电机3减小马力，二者的变化量相同。1处升力变大，3处升力减小，重力仍保持平衡，但对Y轴产生一个力矩，机身绕Y轴旋转，实现俯仰。
（c） 滚转运动（Roll）：与 （b） 原理相同，只是Y轴换成了X轴。
（d） 偏航运动（Yaw）：电机1、3加大马力，电机2、4减小马力，二者的变化量相同。重力和绕X、Y轴的扭矩仍保持平衡，但要注意的是，根据作用力和反作用力原理，由于2个正转的速度》2个反转的速度，空气阻力产生的扭矩不平衡了，使得机身绕Z轴旋转，实现偏航。
（e） 前后运动：与 （b） 耦合，机身绕Y轴旋转一定角度后，使得升力沿水平方向有了分量，实现前后运动。
（f） 侧向运动：与 （c） 耦合，原理与 （e） 相同。
如果有朋友接触过麦克纳姆轮，也称“全向轮”，那就更容易理解四旋翼的工作原理了。麦克纳姆轮通过4个对称布置的电机和轮盘，可实现车身水平任意方向的移动和原地旋转，无比灵活。
主要部件
以S500为例，S500是一架入门级的四旋翼飞机，这里的500指的是轴距（对角2个电机之间的距离），单位 ：mm。对于开源爱好者而言，如果想一站式玩四旋翼，在某宝上选购一架S500是个不错的选择。下面我就从上表出发，详细介绍四旋翼的主要部件和技术名词。
四旋翼本体
四旋翼分2种模式，1种是+模式：飞行方向（机头）与旋翼重合；1种是X模式：飞行方向（机头）平分旋翼。
+模式：直观，简单，驱动弱，调参容易。
X模式：复杂，稳定，驱动好，调参麻烦。
对于四旋翼，稳定和驱动是第一位的，调参可以站在巨人的肩膀上，因此一般采用X模式。
飞行控制器
飞行控制器简称飞控，是无人机的大脑。目前主要分开源和闭源两派，开源飞控的鼻祖来自Arduino，著名的WMC飞控和APM飞控都是Arduino飞控的直接衍生品，APM全称ArduPilotMega，其中的Ardu代表的就是Arduino。APM飞控是目前成熟度最高的开源飞控，但由于容量和计算量有限，在不久的将来一定会被更强大的PIX4、PIXHAWK所超越，成为一个时代的缩影。还有一些较为初级的飞控，如KK、QQ、玉兔等，在这就不赘述了。闭源飞控主要由商业公司推出，如DJI的工业级飞控A2、A3，入门级飞控Naza系列，还有零度的S4、X4和双子星GEMINI。值得一提是其中的双子星，是国内首个双余度安全飞行控制系统。随着安全性的重视和提高，冗余度设计也将成为无人机的标配。
螺旋桨
4个螺旋桨，2正桨（顺时针转）2反桨（逆时针转），正反桨的风都向下吹，正反的目的主要是抵消螺旋桨的自旋。安装的时候，无论正反桨，有字的一面均向上。桨型中1045这4位数字，前2位10代表桨的直径（单位：英寸inch），后2位45代表桨的角度（单位：度°）。
电机
4个无刷电机，2正转2反转。2212这4位数字，前2位22代表电机转子直径，后2位12代表电机转子高度，单位：毫米mm，注意均指电机转子而非外壳。如果大家留心的话，电机外壳上一般会并注明这4位数字，除此之外，还会看到一个KV值，代表外加1V电压时电机每分钟空转转速。如“KV:900”代表外加1V电压时，电机空转时每分钟转900圈。常见的电机品牌有新西达（XXD）、朗宇（SunnySky）等，并且很多外壳上会有一串神秘字符：MADE IN CHINA。
电调
说完电机说电调，电调和电机配套使用，是飞控和电机之间的桥梁。电调全称电子调速器（Electronic Speed Control），负责将飞控的控制信号（PWM波）转变为电流的大小，进而控制电机转速。除了明面上的转换功能，还能承载电机所需的大电流，以及将11.1V转为5V供飞控和遥控模块使用（BEC输出）。电调的主要参数是电流输出能力，单位A，如30A代表电调能提供的最大电流为30A。常见的电调品牌有新西达（XXD）、中特威（ZTW）、好盈（HobbyWing）等。
电池
一般为锂电池，因为同等电池容量锂电池最轻。大家可以看到有3个参数：3200mAh 11.1V 30c。和手机电池一样，3200mAh代表以3200mA电流放电，可持续1小时。11.1V代表电压，一般由3节标准锂电池组成（3.7V×3=11.1V），相应标识为3S。30c代表放电能力，在航模中是个重要参数，意味着可以3200mA×30的电流强度放电。说完了放电，还有充电，一般为2c充电，即充电电流可为3200mA×2。由于航模锂电池采用多节标准锂电池组成，而各节标准锂电池之间存在充放电性能差异，因此充电器一般采用平衡充，避免某节电池过充。
遥控器
主要分美国手和日门手，美国手的油门在左边，日本手的油门在右边。在四旋翼的控制中，一般采用美国手。怎么判断油门呢？很简单，遥控器左右2个摇杆中，推上去不回弹的是油门。也很好理解，油门一般稳定在一个位置就好了，回弹的话飞手会流泪。遥控器中也有1个神秘数字，6代表6通道，即遥控器可控的动作路数。因为四旋翼有4个自由度，所以遥控器至少需要4通道，剩余的通道用于控制飞行模式等。
至此四旋翼的主要部件和技术名词介绍完毕，还有一些可选部件，如数传、OSD、云台、相机、图传等，待大家入门后即可自行挖掘。最后附上一个Exciting的TED视频，震撼你的眼球。
APM飞控学习之路：3 APM系统介绍与开发环境搭建
APM系统介绍
APM全称ArduPilotMega，Ardu源自Arduino，Pilot意指飞行，Mega代表主芯片为ATMEGA2560（Atmel公司的8位AVR单片机）。是的，没有看错，一个简单8位单片机竟完成了如此复杂的飞控任务！ 51单片机表示哭晕在厕所，同为8位出身，命运截然不同。笔者大概是2011年接触的单片机，当时也同大多数初学者一样，从经典的51单片机入门，一个个模块、寄存器的学习，曲线虽说不上陡峭，但至少不那么友好。反观Arduino，近3年在国内迅速崛起，除了Geek文化和开源文化的普及，一个很关键的原因在于Arduino让不懂硬件电路的普通人（甚至小学生）也能轻松上手硬件了。没有了烦人的寄存器，没有了纷繁的头文件，一个setup（）和一个loop（），再加一个自带教程的简洁IDE，Arduino名副其实——源自意大利的男姓用名，意为“强壮的朋友”。世界如此美好，我想和Arduino做朋友。
APM内置六轴MEMS传感器MPU6000，气压计MS-5611，三轴磁力计HMC5883，一般还会配置GPS模块，以便更精确的惯性导航。其中，MPU6000整合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，积分可得速度和位姿。MS-5611通过测量气压得到高度，辅助GPS定位。HMC5883通过测量地磁场得到方位，辅助无人机定向。飞控采集并融合多种传感器的数据，计算并校正无人机的位姿。给APM一张正面裸板特写！
APM与PIXHAWK的关系
说到APM，就不得不提它的进化版：PX4和PIXHAWK，来自苏黎世联邦理工大学。“PX4是一个软硬件开源项目（遵守BSD协议），目的在于为学术、爱好和工业团体提供一款低成本、高性能的高端自驾仪。PX4FMU自驾仪模块运行高效的实时操作系统（RTOS），Nuttx提供可移植操作系统接口（POSIX）类型的环境。由3DR联合APM小组与PX4小组于2014年推出的PIXHAWK飞控是PX4飞控的升级版本，拥有PX4和APM（ArduPilot）两套固件和相应的地面站软件，也是目前全世界飞控产品中硬件规格最高的产品。”
好了说人话，目前主流就2种：APM和PIXHAWK。有时指硬件，有时指软件（固件），为了明确，在此做个区分。硬件分2种：APM和PIXHAWK。APM的版本有2.5，2.6和2.8，PIXHAWK的版本有v1和v2。软件也分2种：APM和PX4。软件版本就多了去了，详见github。APM硬件由于存储空间有限，最高支持到3.2.1的APM软件。PIXHAWK硬件是STM32F4，存储空间大，对APM软件（3.2.1之后的版本也支持）和PX4都支持。
APM和PIXHAWK都开源，不过二者遵守的开源协议不同。APM多用于DIY和小型产品，某宝上大量的无人机就采用APM，成本低。公司商用一般采用PIXHAWK。目前很多PIXHAWK里跑的还是APM固件，个人认为有几大原因：1. APM固件出来的更早，使用人群习惯的延续；2. APM固件成熟度更高、资料更全。3. APM固件走开源路线更彻底，遵守GPL V3协议，PX4更倾向商业和实验用途，遵守BSD协议。
APM固件下载
刚提到APM硬件的最高版本为2.8，现在说说APM固件（源码）的版本。既然是开源项目，那么在github上肯定有仓库。曾经的APM源码存于code.google.com，后来github席卷全球，成为广泛接受的代码仓库，于是谷歌把自己的仓库关了（反正国内也上不去：-（）。github上的源头在此。其中的ArduCopter支持多旋翼、直升机等，四旋翼源码即在其中，但是别急着下载，先点击release看看源码版本。可以看到带Copter的最新版本是“Copter-3.4.0”，带ArduCopter的最新版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，很多朋友直接参照网上的《通过Arduino给APM编译下载最新固件》用git克隆代码到本地，发现无法使用，问题就在于git获取的是最新版，而APM支持的最高版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，从命名也可以发现，该版本固件同时支持APM和PX4。
获取ArduCopter-3.2.1版本的源码有2种方式：I. 在github页面点击release，往下翻几页，找到“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”下载即可。II. 喜欢git的朋友在克隆最新代码后，也可以回退到3.2.1的版本，与第一种方法获得的源码无异。
git clone
cd ardupilot/
git branch -a
git checkout -b arducopter-3.2.1 origin/ArduCopter-3.2.1
使用方法解压之后就可以看到源码啦，结构如下。其中，APMrover2支持地面车辆，ArduPlane支持固定翼，ArduCopter支持多旋翼和直升机。对于四旋翼的开发，就对应ArduCopter文件夹。值得一提的是，打开ArduCopter文件夹后，可以看到一大波.pde文件，.pde为Arduino文件的旧版后缀，新版的为.ino（Arduino的后3个字母），可以简单类比成.cpp文件。熟悉C++的朋友可能会想去找main文件，这回改头换面了，主文件叫ArduCopter.pde。
APM开发环境
巧妇难为无米之炊”，现在米有了，用什么工具做饭呢。先把火备好，即编译的工具链和驱动：MHV_AVR_Tools_20121007.exe（AVR单片机编译和下载程序用）和MissionPlanner-latest.msi（飞控地面站，含APM的USB接口驱动）。接下来就是用什么灶台做饭了，以Windows平台为例，灶台根据方便程度有2种：I. 土灶：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows（为ArdupPilot定制的Arduino IDE）。II. 电磁炉：Visual Studio配合Visual Micro插件（Arduino for Visual Studio插件）。二者本质没有区别，可以看到都是调用gcc工具链，Visual Studio只是通过Visual Micro在上层封装了操作接口，便于程序员查看和编写代码。
环境I（轻量）。 Arduino IDE
先介绍Arduino派的IDE：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows，此IDE不同于普通的Arduino IDE，而是为ArdupPilot定制的。解压之后，打开“arduino.exe”，一张白板扑面而来。唯一和飞控有关的就在菜单栏上，相比通用ArduinoIDE多了“ArduPilot”一项。工具栏的“√”是编译，“→”是下载。
点击“文件-》参数设置”，可设置程序库的位置，即APM源码位置，注意不要勾选“启动时检查更新”，因为本IDE专为ArduPilot定制。其他选项可根据个人喜好设置。
设置完成后退出再重开，以保证程序库位置生效。点击“文件-》程序库-》ArduCopter”，源代码一览无余。之后配置APM固件，主芯片：“工具-》板卡-》Arduino Mega 2560 or Mega ADK”，串口：“工具-》串口-》相应USB串口”（确保驱动已安装），编程器：“工具-》编程器-》AVRISP mkll”（默认），APM硬件型号：“ArduPilot-》HALBoard-》ArduPilot Mega 2.x”。
至此，Arduino IDE的完毕，可以点击编译了。等待3分钟左右，编译完毕，生成一个hex文件用于下载到APM板。
切记：不要下载！不要下载！不要下载！下载会变砖！
环境II（推荐）。 Visual Studio&Visual Micro
Arduino IDE编译APM的代码还可以，但要是用来浏览和编写代码，那就是千丝万缕扭不清了，所以ArduinoIDE的设置里也机智地留下一条后路：“□使用外部编辑器”。
Visual Studio（以下简称VS）作为宇宙最强IDE，怎么能不支持下Arduino，感谢微软救民于水火。以VS2012为例，点击“工具-》扩展和更新-》联机”，搜索“Visual Micro”，下载安装即可。顺便推荐下Visual Assist，VS下最好的代码补全工具，以前写1行代码的功夫，现在可以写3行~
安装好之后，VS的菜单栏多了一些振奋人心的东西。“VMICRO”中可设置Arduino的选项，点击“VMICOR-》Visual Micro Explorer”，如下图所示。对比Arduino IDE可发现，编译、下载、COM口应有尽有，还可适配不同的Arduino 版本。
点击“Configure”进行配置，选择Arduino版本：1.0，配置Arduino目录，笔者的是：D：FlyArduPilot-Arduino-1.0.3-windows，即ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows解压后的文件夹。注意此插件的名字是“Arduino IDE for Visual Studio”，并不是专为Ardupilot/APM定制，因此还需适配apm硬件信息（点击蓝字链接下载，解压后为一名为apm的文件夹，内仅含boards.txt）。将该apm文件夹放入D：FlyArduPilot-Arduino-1.0.3-windowshardware中。配置完成之后，可在“Installed”选项卡中查看支持的硬件类型，如所需的“Arduino Mega 2560 HAL （Apm 2）”，插上APM后在COM口选择对应的串口号。此外，在“Examles”选项卡中可查看Arduino和ArduCopter的例程。
重启VS，点击“文件-》打开-》Arduino Project”，选择ArduCopter文件夹中的ArduCopter.pde打开，即可在“解决方案资源管理器”中看到APM的源码结构。解释一下，ArduCopter.pde相当于平时常见的Main.cpp，在ArduCopter.pde的最后一行是真正的main函数。
AP_HAL_MAIN（）; 除此之外，有一点需要注意，在“VMICRO”中，“Debugger”取消勾选“Automatic Debug（Release/Debug）”，否则会编译失败。因为APM2.8不支持在线Debug，同时对于“多线程”程序，Debug本身意义不大，一般采用串口print进行调试以便观察程序流程。对于普通Arduino板（如nano）可以勾选，下载后会自动进入调试状态。
至此，Visual Studio&Visual Micro的配置完毕，又可以愉快地编译了。同样等待大概3分钟左右，可以看到编译完成，生成一个hex文件用于下载到APM板。对于编译，第1次会较慢，修改代码再次编译就很快了。
APM飞控学习之路：2 四旋翼的工作原理与系统组成
工作原理
四旋翼飞行器，通过4个对称布置的电机，改变螺旋桨的转速，实现升力的变化，进而控制飞行器的姿态和位置。姿态具体指3个欧拉角：横滚（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）。位置具体指1个高度油门（Throttle）和2个位置（X和Y）。欧拉角是一种描述物体姿态的常见方式，广泛应用于惯性导航、机器人等领域。为了方便大家理解，在网上找了3个欧拉角的动图，分别为Roll、Pitch、Yaw，让我们致敬制作者3秒钟。
横滚：Roll，控制四旋翼左右运动。
俯仰：Pitch，控制四旋翼前后运动。
偏航：Yaw，控制四旋翼的朝向。
无人机的姿态和位置共有6个自由度，每个自由度的控制如下图所示。4个电机2个正转（电机2和4），2个反转（电机1和3），对称布置。电机正反转配合正反桨，可使螺旋桨的风都往下刮以平衡重力，同时抵消因桨叶旋转带来的空气阻力扭矩。由于输入只有4个自由度，因此多出的2个自由度是不完全受控的，其中俯仰运动和前后运动耦合，滚转运动和侧向运动耦合。
坐标系：标准右手系。规定X轴正方向为前向。螺旋桨的箭头向上↑：电机转速上升。螺旋桨的箭头向下↓：电机转速下降。
（a） 垂直运动（Throttle）：4个电机均加大马力，螺旋桨产生的升力大于重力，飞机便垂直上升。当升力与重力平衡时，飞机便悬停。悬停是考验算法的重要一环，靠的是PID不断反馈，调整转速。
（b） 俯仰运动（Pitch）：电机1加大马力，电机3减小马力，二者的变化量相同。1处升力变大，3处升力减小，重力仍保持平衡，但对Y轴产生一个力矩，机身绕Y轴旋转，实现俯仰。
（c） 滚转运动（Roll）：与 （b） 原理相同，只是Y轴换成了X轴。
（d） 偏航运动（Yaw）：电机1、3加大马力，电机2、4减小马力，二者的变化量相同。重力和绕X、Y轴的扭矩仍保持平衡，但要注意的是，根据作用力和反作用力原理，由于2个正转的速度》2个反转的速度，空气阻力产生的扭矩不平衡了，使得机身绕Z轴旋转，实现偏航。
（e） 前后运动：与 （b） 耦合，机身绕Y轴旋转一定角度后，使得升力沿水平方向有了分量，实现前后运动。
（f） 侧向运动：与 （c） 耦合，原理与 （e） 相同。
如果有朋友接触过麦克纳姆轮，也称“全向轮”，那就更容易理解四旋翼的工作原理了。麦克纳姆轮通过4个对称布置的电机和轮盘，可实现车身水平任意方向的移动和原地旋转，无比灵活。
主要部件
以S500为例，S500是一架入门级的四旋翼飞机，这里的500指的是轴距（对角2个电机之间的距离），单位 ：mm。对于开源爱好者而言，如果想一站式玩四旋翼，在某宝上选购一架S500是个不错的选择。下面我就从上表出发，详细介绍四旋翼的主要部件和技术名词。
四旋翼本体
四旋翼分2种模式，1种是+模式：飞行方向（机头）与旋翼重合；1种是X模式：飞行方向（机头）平分旋翼。
+模式：直观，简单，驱动弱，调参容易。
X模式：复杂，稳定，驱动好，调参麻烦。
对于四旋翼，稳定和驱动是第一位的，调参可以站在巨人的肩膀上，因此一般采用X模式。
飞行控制器
飞行控制器简称飞控，是无人机的大脑。目前主要分开源和闭源两派，开源飞控的鼻祖来自Arduino，著名的WMC飞控和APM飞控都是Arduino飞控的直接衍生品，APM全称ArduPilotMega，其中的Ardu代表的就是Arduino。APM飞控是目前成熟度最高的开源飞控，但由于容量和计算量有限，在不久的将来一定会被更强大的PIX4、PIXHAWK所超越，成为一个时代的缩影。还有一些较为初级的飞控，如KK、QQ、玉兔等，在这就不赘述了。闭源飞控主要由商业公司推出，如DJI的工业级飞控A2、A3，入门级飞控Naza系列，还有零度的S4、X4和双子星GEMINI。值得一提是其中的双子星，是国内首个双余度安全飞行控制系统。随着安全性的重视和提高，冗余度设计也将成为无人机的标配。
螺旋桨
4个螺旋桨，2正桨（顺时针转）2反桨（逆时针转），正反桨的风都向下吹，正反的目的主要是抵消螺旋桨的自旋。安装的时候，无论正反桨，有字的一面均向上。桨型中1045这4位数字，前2位10代表桨的直径（单位：英寸inch），后2位45代表桨的角度（单位：度°）。
电机
4个无刷电机，2正转2反转。2212这4位数字，前2位22代表电机转子直径，后2位12代表电机转子高度，单位：毫米mm，注意均指电机转子而非外壳。如果大家留心的话，电机外壳上一般会并注明这4位数字，除此之外，还会看到一个KV值，代表外加1V电压时电机每分钟空转转速。如“KV:900”代表外加1V电压时，电机空转时每分钟转900圈。常见的电机品牌有新西达（XXD）、朗宇（SunnySky）等，并且很多外壳上会有一串神秘字符：MADE IN CHINA。
电调
说完电机说电调，电调和电机配套使用，是飞控和电机之间的桥梁。电调全称电子调速器（Electronic Speed Control），负责将飞控的控制信号（PWM波）转变为电流的大小，进而控制电机转速。除了明面上的转换功能，还能承载电机所需的大电流，以及将11.1V转为5V供飞控和遥控模块使用（BEC输出）。电调的主要参数是电流输出能力，单位A，如30A代表电调能提供的最大电流为30A。常见的电调品牌有新西达（XXD）、中特威（ZTW）、好盈（HobbyWing）等。
电池
一般为锂电池，因为同等电池容量锂电池最轻。大家可以看到有3个参数：3200mAh 11.1V 30c。和手机电池一样，3200mAh代表以3200mA电流放电，可持续1小时。11.1V代表电压，一般由3节标准锂电池组成（3.7V×3=11.1V），相应标识为3S。30c代表放电能力，在航模中是个重要参数，意味着可以3200mA×30的电流强度放电。说完了放电，还有充电，一般为2c充电，即充电电流可为3200mA×2。由于航模锂电池采用多节标准锂电池组成，而各节标准锂电池之间存在充放电性能差异，因此充电器一般采用平衡充，避免某节电池过充。
遥控器
主要分美国手和日门手，美国手的油门在左边，日本手的油门在右边。在四旋翼的控制中，一般采用美国手。怎么判断油门呢？很简单，遥控器左右2个摇杆中，推上去不回弹的是油门。也很好理解，油门一般稳定在一个位置就好了，回弹的话飞手会流泪。遥控器中也有1个神秘数字，6代表6通道，即遥控器可控的动作路数。因为四旋翼有4个自由度，所以遥控器至少需要4通道，剩余的通道用于控制飞行模式等。
至此四旋翼的主要部件和技术名词介绍完毕，还有一些可选部件，如数传、OSD、云台、相机、图传等，待大家入门后即可自行挖掘。最后附上一个Exciting的TED视频，震撼你的眼球。
APM飞控学习之路：3 APM系统介绍与开发环境搭建
APM系统介绍
APM全称ArduPilotMega，Ardu源自Arduino，Pilot意指飞行，Mega代表主芯片为ATMEGA2560（Atmel公司的8位AVR单片机）。是的，没有看错，一个简单8位单片机竟完成了如此复杂的飞控任务！ 51单片机表示哭晕在厕所，同为8位出身，命运截然不同。笔者大概是2011年接触的单片机，当时也同大多数初学者一样，从经典的51单片机入门，一个个模块、寄存器的学习，曲线虽说不上陡峭，但至少不那么友好。反观Arduino，近3年在国内迅速崛起，除了Geek文化和开源文化的普及，一个很关键的原因在于Arduino让不懂硬件电路的普通人（甚至小学生）也能轻松上手硬件了。没有了烦人的寄存器，没有了纷繁的头文件，一个setup（）和一个loop（），再加一个自带教程的简洁IDE，Arduino名副其实——源自意大利的男姓用名，意为“强壮的朋友”。世界如此美好，我想和Arduino做朋友。
APM内置六轴MEMS传感器MPU6000，气压计MS-5611，三轴磁力计HMC5883，一般还会配置GPS模块，以便更精确的惯性导航。其中，MPU6000整合了三轴陀螺仪和三轴加速度计，积分可得速度和位姿。MS-5611通过测量气压得到高度，辅助GPS定位。HMC5883通过测量地磁场得到方位，辅助无人机定向。飞控采集并融合多种传感器的数据，计算并校正无人机的位姿。给APM一张正面裸板特写！
APM与PIXHAWK的关系
说到APM，就不得不提它的进化版：PX4和PIXHAWK，来自苏黎世联邦理工大学。“PX4是一个软硬件开源项目（遵守BSD协议），目的在于为学术、爱好和工业团体提供一款低成本、高性能的高端自驾仪。PX4FMU自驾仪模块运行高效的实时操作系统（RTOS），Nuttx提供可移植操作系统接口（POSIX）类型的环境。由3DR联合APM小组与PX4小组于2014年推出的PIXHAWK飞控是PX4飞控的升级版本，拥有PX4和APM（ArduPilot）两套固件和相应的地面站软件，也是目前全世界飞控产品中硬件规格最高的产品。”
好了说人话，目前主流就2种：APM和PIXHAWK。有时指硬件，有时指软件（固件），为了明确，在此做个区分。硬件分2种：APM和PIXHAWK。APM的版本有2.5，2.6和2.8，PIXHAWK的版本有v1和v2。软件也分2种：APM和PX4。软件版本就多了去了，详见github。APM硬件由于存储空间有限，最高支持到3.2.1的APM软件。PIXHAWK硬件是STM32F4，存储空间大，对APM软件（3.2.1之后的版本也支持）和PX4都支持。
APM和PIXHAWK都开源，不过二者遵守的开源协议不同。APM多用于DIY和小型产品，某宝上大量的无人机就采用APM，成本低。公司商用一般采用PIXHAWK。目前很多PIXHAWK里跑的还是APM固件，个人认为有几大原因：1. APM固件出来的更早，使用人群习惯的延续；2. APM固件成熟度更高、资料更全。3. APM固件走开源路线更彻底，遵守GPL V3协议，PX4更倾向商业和实验用途，遵守BSD协议。
APM固件下载
刚提到APM硬件的最高版本为2.8，现在说说APM固件（源码）的版本。既然是开源项目，那么在github上肯定有仓库。曾经的APM源码存于code.google.com，后来github席卷全球，成为广泛接受的代码仓库，于是谷歌把自己的仓库关了（反正国内也上不去：-（）。github上的源头在此。其中的ArduCopter支持多旋翼、直升机等，四旋翼源码即在其中，但是别急着下载，先点击release看看源码版本。可以看到带Copter的最新版本是“Copter-3.4.0”，带ArduCopter的最新版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，很多朋友直接参照网上的《通过Arduino给APM编译下载最新固件》用git克隆代码到本地，发现无法使用，问题就在于git获取的是最新版，而APM支持的最高版本是“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”，从命名也可以发现，该版本固件同时支持APM和PX4。
获取ArduCopter-3.2.1版本的源码有2种方式：I. 在github页面点击release，往下翻几页，找到“ArduCopter-3.2.1-apm-px4”下载即可。II. 喜欢git的朋友在克隆最新代码后，也可以回退到3.2.1的版本，与第一种方法获得的源码无异。
git clone
cd ardupilot/
git branch -a
git checkout -b arducopter-3.2.1 origin/ArduCopter-3.2.1
使用方法解压之后就可以看到源码啦，结构如下。其中，APMrover2支持地面车辆，ArduPlane支持固定翼，ArduCopter支持多旋翼和直升机。对于四旋翼的开发，就对应ArduCopter文件夹。值得一提的是，打开ArduCopter文件夹后，可以看到一大波.pde文件，.pde为Arduino文件的旧版后缀，新版的为.ino（Arduino的后3个字母），可以简单类比成.cpp文件。熟悉C++的朋友可能会想去找main文件，这回改头换面了，主文件叫ArduCopter.pde。
APM开发环境
巧妇难为无米之炊”，现在米有了，用什么工具做饭呢。先把火备好，即编译的工具链和驱动：MHV_AVR_Tools_20121007.exe（AVR单片机编译和下载程序用）和MissionPlanner-latest.msi（飞控地面站，含APM的USB接口驱动）。接下来就是用什么灶台做饭了，以Windows平台为例，灶台根据方便程度有2种：I. 土灶：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows（为ArdupPilot定制的Arduino IDE）。II. 电磁炉：Visual Studio配合Visual Micro插件（Arduino for Visual Studio插件）。二者本质没有区别，可以看到都是调用gcc工具链，Visual Studio只是通过Visual Micro在上层封装了操作接口，便于程序员查看和编写代码。
环境I（轻量）。 Arduino IDE
先介绍Arduino派的IDE：ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows，此IDE不同于普通的Arduino IDE，而是为ArdupPilot定制的。解压之后，打开“arduino.exe”，一张白板扑面而来。唯一和飞控有关的就在菜单栏上，相比通用ArduinoIDE多了“ArduPilot”一项。工具栏的“√”是编译，“→”是下载。
点击“文件-》参数设置”，可设置程序库的位置，即APM源码位置，注意不要勾选“启动时检查更新”，因为本IDE专为ArduPilot定制。其他选项可根据个人喜好设置。
设置完成后退出再重开，以保证程序库位置生效。点击“文件-》程序库-》ArduCopter”，源代码一览无余。之后配置APM固件，主芯片：“工具-》板卡-》Arduino Mega 2560 or Mega ADK”，串口：“工具-》串口-》相应USB串口”（确保驱动已安装），编程器：“工具-》编程器-》AVRISP mkll”（默认），APM硬件型号：“ArduPilot-》HALBoard-》ArduPilot Mega 2.x”。
至此，Arduino IDE的完毕，可以点击编译了。等待3分钟左右，编译完毕，生成一个hex文件用于下载到APM板。
切记：不要下载！不要下载！不要下载！下载会变砖！
环境II（推荐）。 Visual Studio&Visual Micro
Arduino IDE编译APM的代码还可以，但要是用来浏览和编写代码，那就是千丝万缕扭不清了，所以ArduinoIDE的设置里也机智地留下一条后路：“□使用外部编辑器”。
Visual Studio（以下简称VS）作为宇宙最强IDE，怎么能不支持下Arduino，感谢微软救民于水火。以VS2012为例，点击“工具-》扩展和更新-》联机”，搜索“Visual Micro”，下载安装即可。顺便推荐下Visual Assist，VS下最好的代码补全工具，以前写1行代码的功夫，现在可以写3行~
安装好之后，VS的菜单栏多了一些振奋人心的东西。“VMICRO”中可设置Arduino的选项，点击“VMICOR-》Visual Micro Explorer”，如下图所示。对比Arduino IDE可发现，编译、下载、COM口应有尽有，还可适配不同的Arduino 版本。
点击“Configure”进行配置，选择Arduino版本：1.0，配置Arduino目录，笔者的是：D：FlyArduPilot-Arduino-1.0.3-windows，即ArduPilot-Arduino-1.0.3-gcc-4.7.2-windows解压后的文件夹。注意此插件的名字是“Arduino IDE for Visual Studio”，并不是专为Ardupilot/APM定制，因此还需适配apm硬件信息（点击蓝字链接下载，解压后为一名为apm的文件夹，内仅含boards.txt）。将该apm文件夹放入D：FlyArduPilot-Arduino-1.0.3-windowshardware中。配置完成之后，可在“Installed”选项卡中查看支持的硬件类型，如所需的“Arduino Mega 2560 HAL （Apm 2）”，插上APM后在COM口选择对应的串口号。此外，在“Examles”选项卡中可查看Arduino和ArduCopter的例程。
重启VS，点击“文件-》打开-》Arduino Project”，选择ArduCopter文件夹中的ArduCopter.pde打开，即可在“解决方案资源管理器”中看到APM的源码结构。解释一下，ArduCopter.pde相当于平时常见的Main.cpp，在ArduCopter.pde的最后一行是真正的main函数。
AP_HAL_MAIN（）; 除此之外，有一点需要注意，在“VMICRO”中，“Debugger”取消勾选“Automatic Debug（Release/Debug）”，否则会编译失败。因为APM2.8不支持在线Debug，同时对于“多线程”程序，Debug本身意义不大，一般采用串口print进行调试以便观察程序流程。对于普通Arduino板（如nano）可以勾选，下载后会自动进入调试状态。
至此，Visual Studio&Visual Micro的配置完毕，又可以愉快地编译了。同样等待大概3分钟左右，可以看到编译完成，生成一个hex文件用于下载到APM板。对于编译，第1次会较慢，修改代码再次编译就很快了。
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