Offboard 模式

飞行器根据飞行控制栈外部（如机载计算机）提供的设定值控制位置、速度、加速度、姿态以及推力/力矩。 可以使用 MAVLink 提供设定点 (或者 MAVLink API，例如 MAVSDK) or by ROS 2.

PX4 要求外部控制器通过传输任何支持的 MAVLink 设定点消息或 ROS 2 提供连续的 2Hz“生命证明”信号OffboardControlMode message. PX4只有在收到该种信号超过1秒后才有效，如果该种信号停止飞行控制栈将重新获得控制权（脱离Offboard模式）。

INFO

• 此模式需要位置或位/姿信息 - 例如 GPS、光流、视觉惯性里程计、mocap 等。
• 除改变模式外，遥控功能无法使用（您也可以通过设置参数，在没有任何手动控制器的情况下飞行） COM_RC_IN_MODE to 4: Stick input disabled).
• 飞行器必须已经接收 MAVLink 设定点消息流或 ROS 2 OffboardControlMode 在飞行过程中，进入机外模式或切换到机外模式之前会发送消息。
• 如果 MAVLink 设定点消息或 OffboardControlMode 接收频率未达到 > 2Hz。
• 并非所有 MAVLink 支持的坐标系和字段值都被设定值消息和飞行器支持。 仔细阅读以下部分以确保仅使用支持的值。

描述

Offboard模式通过设置位置、速度、加速、姿态、姿态角速率或力/扭矩设定值来控制飞行器的位置和姿态。

PX4 必须接收 MAVLink 设定点消息流或 ROS 2 OffboardControlMode 以 2 Hz 的频率证明外部控制器是健康的。 该消息必须持续发送1秒以上PX4才能在Offboard模式下解锁或在飞行中切换至Offboard模式。 如果在外部控制下速率降至 2Hz 以下，PX4 将在超时后退出板外模式 (COM_OF_LOSS_T), 并尝试着陆或者执行其他一些故障安全措施。 该操作取决于 RC 控制是否可用，并在参数中定义 COM_OBL_RC_ACT.

当使用 MAVLink 时，设定值消息既传达了外部控制器"正常运行"的信号也传达了设定值本身。 Offboard模式下要保持位置，飞行器必须接收到一个包含当前位置设定值的消息指令。

使用 ROS 2 时，外部源是否存活的证明由以下流提供： OffboardControlMode 消息，而实际的设定点是通过发布到其中一个设定点 uORB 主题来提供的，例如 TrajectorySetpoint. 在这种情况下，为了保持位置，车辆必须接收 OffboardControlMode 但只需要 TrajectorySetpoint once.

请注意，Offboard模式只支持比较有限的 MAVLink 指令和消息。 其他操作如起飞、降落、返航，最好使用适当的模式来处理。 像上传、下载任务这样的操作可以在任何模式下执行。

ROS 2 消息

以下 ROS 2 消息及其特定字段和字段值在特定的框架下是允许的。 除了提供心跳功能, OffboardControlMode 还有另外两个主要目的：

1. 控制 PX4 control architecture 此时必须注入板外设定点，并禁用旁路控制器。
2. 确定需要哪种有效估计(位置或速度)，以及应该使用哪种设定值消息。

The OffboardControlMode 消息定义如图所示。

# Off-board control mode

uint64 timestamp		# time since system start (microseconds)

bool position
bool velocity
bool acceleration
bool attitude
bool body_rate
bool thrust_and_torque
bool direct_actuator

这些字段按优先级排序，以便 position 优先于 velocity 以及后续字段, velocity 优先于 acceleration, 等等。 第一个非零字段(从上到下) 定义了Offboard模式所需的有效估计以及可用的设定值消息。 例如，如果 acceleration 字段是第一个非零值，那么 PX4 需要一个有效的 velocity estimate, 并且必须使用指定设定点 TrajectorySetpoint 信息.

期望控制对象	位置	速度	加速度	姿态	姿态角速率	执行器字段	直接给电机	所需状态估计	所需消息
位置 (NED)	✓	-	-	-	-	-	-	位置	TrajectorySetpoint
速度 (NED)	✗	✓	-	-	-	-	-	速度	TrajectorySetpoint
加速度（NED）	✗	✗	✓	-	-	-	-	速度	TrajectorySetpoint
姿态(FRD)	✗	✗	✗	✓	-	-	-	无	VehicleAttitudeSetpoint
体轴角速率 (FRD)	✗	✗	✗	✗	✓	-	-	无	VehicleRatesSetpoint
推力和力矩(FRD)	✗	✗	✗	✗	✗	✓	-	无	VehicleThrustSetpoint and VehicleTorqueSetpoint
直接给电机和舵机	✗	✗	✗	✗	✗	✗	✓	无	ActuatorMotors and ActuatorServos

其中✓ 表示该位已设置，✘ 表示该位未设置，而“-”表示该位的值无关紧要。

INFO

在使用 ROS 2 的离线模式之前，请花几分钟了解不同的 frame conventions PX4 和 ROS 2 使用。

旋翼机

• px4_msgs::msg::TrajectorySetpoint

  • 支持以下输入组合：

    • 位置设定点 (position different from NaN). Non-NaN 速度和加速度的值被用作内环控制器的前馈项。
    • 速度设定点 (velocity different from NaN and position set to NaN). Non-NaN 加速度值用作内环控制器的前馈项.
    • Acceleration setpoint (acceleration different from NaN and position and velocity set to NaN)

  • 所有值都是基于NED(北, 东, 地)坐标系，位置、速度和加速的单位分别为[m], [m/s] 和[m/s^2] 。

• px4_msgs::msg::VehicleAttitudeSetpoint

  • 支持以下输入组合：

    • quaternion q_d + thrust setpoint thrust_body. Non-NaN values of yaw_sp_move_rate are used as feedforward terms expressed in Earth frame and in [rad/s].

  • 姿态四元数表示无人机机体坐标系FRD(前、右、下) 与NED坐标系之间的旋转。 这个推力是在无人机体轴FRD坐标系下，并归一化为 [-1, 1] 。

• px4_msgs::msg::VehicleRatesSetpoint

  • 支持以下输入组合：

    • roll, pitch, yaw and thrust_body.

  • 所有值都表示在无人机体轴FRD坐标系下。 角速率(roll, pitch, yaw) 单位为[rad/s] ，thrust_body归一化为 [-1, 1]。

Generic Vehicle

下面的offboard控制模式会绕过所有PX4内部的控制环，应当非常谨慎地使用。

• px4_msgs::msg::VehicleThrustSetpoint + px4_msgs::msg::VehicleTorqueSetpoint

  • 支持以下输入组合：
    • xyz for thrust and xyz for torque.
  • 所有值都在无人机体轴 FRD 坐标系中表示，并且归一化为[-1, 1]。

• px4_msgs::msg::ActuatorMotors + px4_msgs::msg::ActuatorServos

  • 直接控制电机输出和/或伺服系统（舵机）输出。
  • 目前工作水平比当时低 control_allocator 模块。非处于离板模式时，请勿发布这些消息。
  • 所有值归一化为[-1, 1]。 对于不支持负值的输出，负数条目映射到 NaN.
  • NaN 地图已解除武装。

MAVLink 消息

下面的 MAVLink 消息及其特定字段和字段值在特定的帧下是允许的。

直升机/垂直起降

• SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED

  • 支持以下输入组合:

    • 位置设定点 (only x, y, z)
    • 速度设定点 (only vx, vy, vz)
    • 加速度设定点 (only afx, afy, afz)
    • 位置设定点 and 速度设定值（速度设定值用作前馈；它被添加到位置控制器的输出，结果用作速度控制器的输入）。
    • 位置设定点 and 速度设定点 and 加速度（速度和加速度设定点用作前馈；速度设定点添加到位置控制器的输出，结果用作速度控制器的输入；加速度设定点添加到速度控制器的输出，结果用于计算推力矢量）。

  • PX4 支持以下内容 coordinate_frame values (only): MAV_FRAME_LOCAL_NED and MAV_FRAME_BODY_NED.

• SET_POSITION_TARGET_GLOBAL_INT

  • 支持以下输入组合:

    • Position setpoint (only lat_int, lon_int, alt)

    • Velocity setpoint (only vx, vy, vz)

    • Thrust setpoint (only afx, afy, afz)

      INFO

      加速度设定点值被映射以创建标准化的推力设定点（即加速度设定点没有“正确”支持）。

:::

- 位置设定点**和**速度设定点（速度设定点用作前馈；它被添加到位置控制器的输出，结果用作速度控制器的输入）。

• PX4 支持以下内容 coordinate_frame values (only): MAV_FRAME_GLOBAL.

• SET_ATTITUDE_TARGET

  • 支持以下输入组合：
    • Attitude/orientation (SET_ATTITUDE_TARGET.q) with thrust setpoint (SET_ATTITUDE_TARGET.thrust).
    • Body rate (SET_ATTITUDE_TARGET .body_roll_rate ,.body_pitch_rate, .body_yaw_rate) with thrust setpoint (SET_ATTITUDE_TARGET.thrust).

Fixed-wing

• SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED

  • 支持以下输入组合 (via type_mask):

    • Position setpoint (x, y, z 仅；速度和加速度设定点被忽略）。

      • 指定设定点的_类型_ type_mask （如果没有设置这些位，车辆将以花朵状图案飞行）：

        INFO

        下面的一些_设定点类型_值不是 MAVLink 标准的一部分 type_mask 场地。

:::

    值为：

    - 292：滑动设定值。
      这会将 TECS 配置为空速优先于高度，以便在没有推力时使无人机滑行（即控制俯仰以调节空速）。
      It is equivalent to setting `type_mask` as `POSITION_TARGET_TYPEMASK_Z_IGNORE`, `POSITION_TARGET_TYPEMASK_VZ_IGNORE`, `POSITION_TARGET_TYPEMASK_AZ_IGNORE`.
    - 4096：起飞设定值。
    - 8192：降落设定值。
    - 12288：悬停设定值（以设定值为中心绕圈飞行）。
    - 16384：空闲设定值（油门为0， 横滚 / 俯仰为0）。

• PX4 支持坐标框架 (coordinate_frame field): MAV_FRAME_LOCAL_NED and MAV_FRAME_BODY_NED.

• SET_POSITION_TARGET_GLOBAL_INT

  • 支持以下输入组合 (via type_mask):

    • 位置设定点（仅限 lat_int, lon_int, alt)

      • 指定设定点的_类型_ type_mask （如果没有设置这些位，车辆将以花朵状图案飞行）：

        INFO

        下面的_设定点类型_值不是 MAVLink 标准的一部分 type_mask 场地。

:::

    值为：

    - 4096：起飞设定值。
    - 8192：降落设定值。
    - 12288：悬停设定值（以设定值为中心绕圈飞行）。
    - 16384：空闲设定值（油门为0， 横滚 / 俯仰为0）。

• PX4 支持以下内容 coordinate_frame values (only): MAV_FRAME_GLOBAL.

• SET_ATTITUDE_TARGET

  • 支持以下输入组合：
    • Attitude/orientation (SET_ATTITUDE_TARGET.q) with thrust setpoint (SET_ATTITUDE_TARGET.thrust).
    • Body rate (SET_ATTITUDE_TARGET .body_roll_rate ,.body_pitch_rate, .body_yaw_rate) with thrust setpoint (SET_ATTITUDE_TARGET.thrust).

无人车

• SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED

  • 支持以下输入组合 (in type_mask):

    • 位置设定点 (only x, y, z)

      • 指定设定点的_类型_ type_mask:

        INFO

        下面的_设定点类型_值不是 MAVLink 标准的一部分 type_mask 场地. ::

        值为：

        • 12288：悬停设定值（无人机足够接近设定值时会停止）。

    • 速度设定点 (only vx, vy, vz)

  • PX4 支持坐标框架 (coordinate_frame field): MAV_FRAME_LOCAL_NED and MAV_FRAME_BODY_NED.

• SET_POSITION_TARGET_GLOBAL_INT

  • 支持以下输入组合 (in type_mask):

    • Position setpoint (only lat_int, lon_int, alt)

  • 指定设定点的_类型_ type_mask （不是 MAVLink 标准的一部分）。 值为：

    • 下面的比特位没有置位，是正常表现。
    • 12288：悬停设定值（无人机足够接近设定值时会停止）。

  • PX4 支持坐标框架 (coordinate_frame field): MAV_FRAME_GLOBAL.

• SET_ATTITUDE_TARGET

  • 支持以下输入组合：
    • Attitude/orientation (SET_ATTITUDE_TARGET.q) with thrust setpoint (SET_ATTITUDE_TARGET.thrust).

      INFO

      Only the yaw setting is actually used/extracted.

:::

Offboard参数

Offboard mode is affected by the following parameters:

参数	描述
COM_OF_LOSS_T	Time-out (in seconds) to wait when offboard connection is lost before triggering offboard lost failsafe (COM_OBL_RC_ACT)
COM_OBL_RC_ACT	Flight mode to switch to if offboard control is lost (Values are - 0: Position, 1: Altitude, 2: Manual, 3: *Return, 4: *Land*).
COM_RC_OVERRIDE	Controls whether stick movement on a multicopter (or VTOL in MC mode) causes a mode change to Position mode. 默认情况下未启用此功能。
COM_RC_STICK_OV	The amount of stick movement that causes a transition to Position mode (if COM_RC_OVERRIDE is enabled).
COM_RCL_EXCEPT	该参数指定一种模式，在该模式下将忽略RC丢失及不会触发RC丢失的失效保护动作。 Set bit 2 to ignore RC loss in Offboard mode.

开发者资源

通常，开发人员并不直接在 MAVLink 层工作，而是使用机器人 API，如 MAVSDK 或 ROS（它们提供了开发人员友好的 API，并负责管理和维护连接、发送消息和监控响应 - 使用 Offboard 模式 和 MAVLink 的细节）。

以下资源可能对开发者有用：

• Offboard Control from Linux
• ROS/MAVROS Offboard Example (C++)
• ROS/MAVROS Offboard Example (Python)