本文记录在Ubuntu16.04 LTS操作系统中从源代码编译安装OpenCV的过程。
1 | [compiler] sudo apt-get install build-essential |
1 | cd ~/<my_working_directory> |
1 | cd ~/opencv |
1 | $ cmake -D CMAKE_BUILD_TYPE=Release -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local .. |
1 | make -j3 # runs 3 jobs in parallel |
1 | sudo make install |
进行PX4开发，必先了解PX4体系结构及相关概念。下面及简要介绍PX4开发的相关知识。
PX4由两个层次组成：一是飞行控制栈(flight stack)，即自驾仪的软件解决方案，二是中间件，一种可以支持任意类型自主机器人的通用机器人中间件。
所有的无人机机型，事实上所有的包括船舶在内的机器人系统，都具有同一代码库。整个系统设计是反应式(reactive)的，这意味着：
除了这些运行时考虑之外，其模块化最大限度地提高了系统的可重用性。
飞行控制栈是自主无人机的引导、导航和控制算法的集合。它包括用于固定翼，多旋翼和垂直起降机身的控制器以及用于姿态和位置的估计器。
图2显示了飞行控制栈的构建块的预览。 它包含从传感器，RC输入和自主飞行控制（导航器）到电机或伺服控制（执行器）的完整管道。
估计器采用一个或多个传感器输入，组合它们，并计算无人机状态（例如来自IMU传感器数据的姿态）。
控制器是将设定值和测量或估计状态（过程变量）作为输入的组件。 其目标是调整过程变量的值，使其与设定值匹配。 输出是最终达到该设定点的校正。 例如，位置控制器将位置设定点作为输入，过程变量是当前估计的位置，输出是将车辆移向期望位置的姿态和推力设定点。
混合器接受强制命令（例如向右转）并将它们转换为单独的电机命令，同时确保不超过某些限制。 该平移特定于无人机类型并且取决于各种因素，例如关于重心的马达布置或无人机的转动惯量。
中间件主要包括嵌入式传感器的设备驱动程序，与外部世界的通信（协同计算机，地面控制站等）和uORB发布 - 订阅消息总线。
此外，中间件包括一个模拟层，允许PX4飞行代码在桌面操作系统上运行，并在模拟的“世界”中控制计算机建模的无人机。
由于模块等待消息更新，因此驱动程序通常会定义模块更新的速度。 大多数IMU驱动器以1kHz采样数据，将其集成并以250Hz发布。 系统的其他部分，例如导航器，不需要如此高的更新速率，因此运行速度相当慢。
可以通过运行uorb top在系统上实时检查消息更新率。
PX4可在各种提供POSIX-API的操作系统上运行（例如Linux，macOS，NuttX或QuRT）。 它还应该具有某种形式的实时调度（例如FIFO）。
模块间通信（使用uORB）基于共享内存。 整个PX4中间件在单个地址空间中运行，即在所有模块之间共享存储器。
有两种不同的方式可以执行模块：
任务：模块在自己的任务中运行，具有自己的堆栈和进程优先级（这是更常见的方式）。
工作队列：模块在共享任务上运行，这意味着它不拥有堆栈。 多个任务在同一堆栈上运行，每个工作队列具有一个优先级。
通过指定将来的固定时间来安排任务。 优点是它使用较少的RAM，但不允许任务在消息上休眠或轮询。
工作队列用于周期性任务，例如传感器驱动器或陆地探测器。
NuttX是在飞行控制板上运行PX4的主要RTOS。 它是开源（BSD许可证），重量轻，高效且非常稳定。
模块作为任务执行：它们有自己的文件描述符列表，但它们共享一个地址空间。 任务仍然可以启动共享文件描述符列表的一个或多个线程。
每个任务/线程都有一个固定大小的堆栈，并且有一个周期性任务，它检查所有堆栈是否有足够的可用空间（基于堆栈着色）。
在Linux或macOS上，PX4在单个进程中运行，并且模块在它们自己的线程中运行（NuttX上的任务和线程之间没有区别）。
飞行模式定义了系统在任何给定时间的状态。用户可以使用远程遥控器或者QGroundControl地面站来进行飞行模式切换。
Dronecode是开源的无人机平台，其软硬件体系结构如图4所示。图4左侧显示了一种可能的硬件配置，其中飞行控制器（浅蓝色）通过RTPS连接到感知计算机（深蓝色）。 感知计算机使用相机传感器阵列提供视觉控制和物体避免，并且具有单独的有效载荷相机。
图的右侧显示了端到端软件堆栈。 堆栈“近似”水平对齐图表的硬件部分，并进行颜色编码，以显示飞行控制器上运行的软件以及配套计算机上的软件。
PX4架构保证了核心控制器中不需要针对机身布局做特别处理。
混控指的是把输入指令（例如：遥控器打右转）分配到电机以及舵机的执行器（如电调或舵机PWM）指令。对于固定翼的副翼控制而言，每个副翼由一个舵机控制，那么混控的意义就是控制其中一个副翼抬起而另一个副翼落下。同样的，对多旋翼而言，俯仰操作需要改变所有电机的转速。
将混控逻辑从实际姿态控制器中分离出来可以大大提高复用性。
一个特定的控制器（如姿态控制器）发送特定的归一化（-1..+1）的命令到给混合（mixing）,然后混合后输出独立的PWM到执行器（电调，舵机等）.在经过输出驱动如（串口，UAVCAN，PWM）等将归一化的值再转回特性的值（如输出1300的PWM等）。
PX4 有输入组和输出组的概念，顾名思义：控制输入组（如： attitude），就是用于核心的飞行姿态控制，（如： gimbal ）就是用于挂载控制. 一个输出组就是一个物理总线，如前8个PWM组成的总线用于舵机控制，组内带8个归一化（-1..+1）值,一个混合就是用于输入和输出连接方式（如:对于四轴来说,输入组有俯仰，翻滚，偏航等，对于于向前打俯仰操作，就需要改变输出组中的4个电调的PWM输出值，前俩个降低转速，后两个增加转速，飞机就向前）。
对于简单的固定翼来说，输入0（roll），就直接连接到输出的0（副翼）。对于多旋翼来说就不同了，输入0（roll）需要连接到所有的4个电机。
拟在基于NuttX的硬件平台如Pixhawk系列开源硬件平台上运行自定义的Px4自驾仪软件，因此需要建立Px4的编译开发环境。以官方文档推荐，在Ubuntu 16.04 LTS操作系统上建立Px4编译开发环境为例，记录整个配置过程。
官方推荐在Mac OS和Linux上进行开发，因此选择安装Ubuntu 16.04 LTS作为Px4开发的操作系统。主要步骤如下：
为了使当前用户能够访问串口，将当前用户添加到dialout组。
1 | sudo usermod -a -G dialout $USER |
针对基于NuttX的硬件平台如Pixhawk构建开发工具链，步骤如下：
1 | wget https://raw.githubusercontent.com/PX4/Devguide/master/build_scripts/ubuntu_sim_nuttx.sh |
1 | mkdir -p ~/src |
现在可以通过编译源代码来构建二进制文件。在直接使用硬件前，推荐先进行仿真。
在直接使用硬件之前，以jMAVSim仿真器为目标平台构建PX4，验证PX4的正确性。注意在virtualbox中启动3D图形加速，防止jMAVSim运行出错！
1 | make posix jmavsim |
以Pixhawk为目标平台，构建PX4。
1 | cd Firmware |
注意到“make”是一个字符命令编译工具，“px4fmu-v2”是硬件/ardupilot版本，“default”是默认配置，所有的PX4编译目标遵循这个规则。
成功编译的最后输出是这样的：
1 | [100%] Linking CXX executable firmware_nuttx |
通过在命令后面添加‘upload’，编译的二进制程序就会通过USB上传到飞控硬件:
1 | make px4fmu-v2_default upload |
上传成功时输出情况如下：
1 | Erase : [====================] 100.0% |
在PX4自驾仪软件的二次开发过程中，涉及硬件在环与软件在环两个概念，不易理解。下面对这两个概念进行辨析。
硬件在环（Hardware in the Loop，简称HIL）即硬件在控制环路，是一种半实物仿真。根据控制器和控制对象是否为真实硬件，分为以下两种硬件在环方式：
硬件在环主要用于测试控制器系统。
软件在环主要测试控制器模型与控制器模型代码实现之间的一致性。
软件在环主要测试控制器模型与控制器模型代码实现在目标处理器上运行之间的一致性。
模型在环（Model in the Loop，简称MIL）是用模型驱动进行嵌入式系统的开发时，在开发阶段初期及建模阶段中进行的仿真方式。嵌入式系统需和其运作的环境互动，一般会预期有合理的传感器信号为其输入，也会依输入及系统设计来驱动实体系统。为了使系统正常工作，需要将嵌入式系统的环境纳入仿真考量范围内。若嵌入式系统模型和环境模型连接，一起进行仿真，则即称为模型在环模拟。
模型在环主要用于测试控制算法，其控制器模型和控制器对象都是虚拟的。
在机器人自动控制研究中，路径规划、轨迹规划和运动规划三个概念总是混淆不清，难以捉摸。下面结合各种资料，给出我个人的一些理解，对这三个概念进行辨析。
路径是机器人位姿的一定序列，不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。路径规划（一般指位置规划）是找到一系列要经过的路径点，路径点是空间中的位置或关节角度。
路径是机器人位姿的一定序列，不考虑机器人位姿参数随时间变化的因素。路径规划（一般指位置规划）是找到一系列要经过的路径点，路径点是空间中的位置或关节角度，而轨迹规划是赋予路径时间信息。
运动规划就是在给定的位置A与位置B之间为机器人找到一条符合约束条件的路径。运动规划包含路径规划和轨迹规划。
运动规划，又称运动插补，是在给定的路径端点之间插入用于控制的中间点序列从而实现沿给定的平稳运动。
运动控制则是主要解决如何控制目标系统准确跟踪指令轨迹的问题，即对于给定的指令轨迹，选择适合的控制算法和参数，产生输出，控制目标实时，准确地跟踪给定的指令轨迹。
FlightGear是一个始于1997年多平台飞行模拟器、自由软件项目。下面简要介绍如何在FlightGear中驾驶飞行。
推力：9增加推力（油门），3减小推力（油门）
副翼：4向左滚转，6向右滚转
升降舵：8推杆低头，2拉杆抬头
方向舵：0向右偏航，Enter向右偏航
居中副翼/升降舵/方向舵
放/收襟翼
收/放起落架
刹车（全部轮胎）/或释放刹车
放大/缩小
切换飞行员的观测模式
循环切换鼠标模式：正常模式(默认)、控制模式和查看模式。
高度保持开关
下滑角跟随开关
航向保持开关
NAV 开关
地形跟随开关
高度增加 1000 英尺（紧急情况）
起飞步骤如下：
1.启动引擎
在驾驶舱内通过按键启动飞机引擎的过程很麻烦，且各种类型飞机引擎启动过程不一样。幸运的是，FlightGear的飞机菜单中会有自动启动或快速启动的子菜单，点击它们自动启动飞机引擎和各种航电设备。
2.释放刹车
使用快捷键B释放刹车。
3.滑跑起飞
飞机尽量在跑道中央进行滑跑起飞，使用快捷键“0/Enter”控制飞机方向舵，使飞机在跑道中央滑跑; 当飞机达到起飞速度（一般200～300km/h）时，先使用快捷键“5”居中副翼/升降舵/方向舵，以降低飞机在空中操纵的难度，再使用快捷键“8/2”操纵飞机升降舵，注意应避免仰角过大。
注意，FlightGear 2020.3 版本中F16不支持数字小键盘！
各种战斗机可通过飞机菜单选择不同武器加载方案。但各种战斗机的武器使用方法不一样，对应武器发射的快捷键也不一样，可通过菜单“Help->Aircraft Help”查看具体飞机的自定义快捷键。下面以官方飞机库中的F15和F16为例说明武器使用方法。
F15武器使用步骤如下：
1.打开Master ARM开关
该军械总开关防止武器误发射，使用快捷键Ctrl+w控制。
2.选择武器
可选择航炮和导弹等武器，使用快捷键m控制
3.发射航炮或释放导弹
使用快捷键e控制，注意航炮按e就发射，而导弹按e得持续3秒钟才能释放导弹。
4.使用诱饵弹
使用快捷键Ctrl+q释放诱饵弹。
F16武器使用步骤如下：
1.打开Master ARM开关
该开关防止武器误发射，使用快捷键m控制。
2.选择武器
可选择航炮和导弹等武器，使用快捷键w控制
3.发射航炮或释放导弹
使用快捷键e控制，注意航炮按e就发射，而导弹按e得持续3秒钟才能释放导弹。
4.使用诱饵弹
使用快捷键q释放诱饵弹。
JSBSim是一个开源跨平台的飞行动力学模型（FDM）软件库，用于模拟航空航天飞行器的飞行动力学。 该库已被纳入飞行模拟软件包FlightGear和OpenEaagles。JSBSim可以独立运行，通过命令行参数指定飞行器和初始状态，进行简单情境下的飞行动力学仿真，也可以将JSBSim作为代码库，编程实现飞行器模型加载，设置输入，获得输出。下面即介绍在Linux平台编程调用JSBSim库的方法和步骤。
GNU编译器套装（英语：GNU Compiler Collection，缩写为GCC），指一套编程语言编译器，以GPL及LGPL许可证所发行的自由软件，也是GNU项目的关键部分，也是GNU工具链的主要组成部分之一。GCC（特别是其中的C语言编译器）也常被认为是跨平台编译器的事实标准。
通常gcc用于编译链接c代码文件，而g++用于编译链接c++代码文件，但它们的使用方法很类似。下面介绍gcc和g++的常用选项。
1 | gcc foo.c -I /home/xiaowp/include -o foo |
1 | gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -lfoo -o foo |
1 | gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -static -lfoo -o foo |
下面是JSBSim参考手册中的最简单实例，因JSBSim的不断开发，JSBSim参考手册中该编程实例有点过时，因此进行了少量修改。
1 | #include <FGFDMExec.h> |
从上述代码可知，调用JSBSim的主要方法是利用FGFDMExec类，通过实例化一个FGFDMExec类，就相当于获得了一个运行JSBSim仿真的工具箱，通过这个工具箱就可以调用JSBSim的大部分功能，实现我们要的仿真目标。
接下来对该实例进行编译链接，使用如下命令：
1 | # jsbsim_script.cpp是上述实例的代码文件 |
测试该实例，使用如下命令：
1 | # jsbsim是JSBSim项目文件夹 |
四轴飞行器又称四旋翼、四转子，是一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。和固定翼飞机不同，它通过旋翼提供的推力使飞机升空。它的四个旋翼大小相同，分布位置接近对称。对于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就可以控制飞机维持姿态、或完成各种机动飞行。下面简单介绍四旋翼无人机的制作过程。
组装一件无人机所需配件及其连接示意图如图1所示。
所需配件主要有：
遥控器和接收机之间是配对的，使用之前必须对码，可根据遥控器的使用说明书进行操作。其连接示意图如图2所示。
电子调速器主要控制马达的转速，其调试连接示意图如图3所示。
如图3所示将电子调速器连接后，即开始设置油门行程和电子调速器进角。设置油门行程即让电子调速器知道遥控器的油门输入范围。而电子调速器进角有高中低之分，类似于汽车档位。低进角速度慢但扭力大，高进角速度快但扭力小，一般设置电子调速器中进角即可满足大多数要求。具体设置说明参照电子调速器使用说明书。
Pixhawk是PX4飞行堆栈的标准微控制器平台。在pixhawk硬件平台上可运行PX4和ArduPilot两种不同的自动驾驶仪软件套件。如果在pixhawk平台上安装px4自驾仪软件，则使用QGroundControl地面站软件进行设置；如果在pixhawk平台上安装ArduPilot自驾仪软件，则使用MissionPlanner地面站软件进行设置。
Pixhawk和GPS按照方向捆绑好后，按照地面站软件的指示进行设置。设置好之后，长按Pixhawk的安全开关，再将遥控器油门拉动底并推向最右方，即可解锁Pixhawk。
FGMS或FlightGear多人游戏服务器是FlightGear的独立网络服务器，并根据GPL许可。 它允许通过FGFS内的网络与其他飞行员一起飞行。
FGMS服务器列表类型主要有：
特别呼号：
1 | git clone git://git.code.sf.net/p/fgms/src fgms-src |
1 | cd fgms-src |
1 | git clone git://git.code.sf.net/p/fgms/fgtracker fgms-fgtracker |
联机前，请选择合适的服务器名（通常是mpserver0?.flightgear.org）和端口号(通常是5000)，然后按照以下方式启动FlightGear。
在向导程序上专门有一个联网飞行选项，只要选中选项，填入服务器名和端口号以及你的昵称就可以了，你的昵称最长可以使7个字符。同时必须确定AI models选项选中，否则无法看到别的联网飞机。
基本命令如下:
1 | --multiplay=out,10,<server>,<portnumber> |
备注:
JSBSim是一个开源跨平台的飞行动力学模型（FDM）软件库，用于模拟航空航天飞行器的飞行动力学。 该库已被纳入飞行模拟软件包FlightGear和OpenEaagles。 它也可以从一个小型独立程序调用，以创建批处理模拟工具。 JSBSim是用C ++编写的，使用XML配置文件。下面介绍如何在Linux平台编译按照测试JSBSim。
代码变成可执行文件，叫做编译（compile）；先编译这个，还是先编译那个（即编译的安排），叫做构建（build）。
Make是最常用的构建工具，诞生于1977年，主要用于C语言的项目。但是实际上 ，任何只要某个文件有变化，就要重新构建的项目，都可以用Make构建。
Make工具有很多，例如 GNU Make ，QT 的 qmake ，微软的 MS nmake，BSD Make（pmake），Makepp，等等。这些 Make 工具遵循着不同的规范和标准，所执行的 Makefile 格式也千差万别。这样就带来了一个严峻的问题：如果软件想跨平台，必须要保证能够在不同平台编译。而如果使用上面的 Make 工具，就得为每一种标准写一次 Makefile ，这将是一件让人抓狂的工作。
CMake就是针对上面问题所设计的工具：它首先允许开发者编写一种平台无关的 CMakeList.txt 文件来定制整个编译流程，然后再根据目标用户的平台进一步生成所需的本地化 Makefile 和工程文件，如 Unix 的 Makefile 或 Windows 的 Visual Studio 工程。从而做到“Write once, run everywhere”。显然，CMake 是一个比上述几种 make 更高级的编译配置工具。一些使用 CMake 作为项目架构系统的知名开源项目有 VTK、ITK、KDE、OpenCV、OSG 等。
在 linux 平台下使用 CMake 生成 Makefile 并编译的流程如下：
1 | git clone https://github.com/JSBSim-Team/jsbsim.git |
1 | # 跳转到jsbsim源码目录 |
1 | # 跳转到jsbsim源码目录 |