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基本概念 ​

本主题提供了无人机和使用 PX4 的基本介绍(主要针对新手用户,但对于更有经验的用户来说也是一个很好的介绍)。

如果你已经熟悉了基本概念,你可以继续 Basic Assembly 了解如何连接特定的自动驾驶仪硬件。 要加载固件并使用 QGroundControl 设置车辆,请参阅 Basic Configuration.

无人机是什么? ​

无人机,又称无人驾驶车辆 (UV),是一种无人驾驶的“机器人”车辆,可以手动或自主控制。 它们可以在空中、地面、水上/水下飞行,并用于许多 consumer, industrial, government and military applications, 包括航空摄影/摄像、载货、竞赛、搜索和勘测等。

无人机的正式名称是无人驾驶飞行器 (UAV)、无人驾驶地面车辆 (UGV)、无人驾驶水面车辆 (USV)、无人驾驶水下车辆 (UUV)。

INFO

无人机系统 (UAS) 一词通常指无人机和完整系统的所有其他组件,包括地面控制站和/或无线电控制器,以及用于控制无人机、捕获和处理数据的任何其他系统。

无人机类型 ​

车辆框架(类型)有很多种,并且类型中又有很多变化。 下面列出了一些类型以及它们最适合的用例。

  • Multicopters — 多旋翼飞行器提供精确的悬停和垂直起飞,但飞行距离较短且速度通常较慢。 它们是最受欢迎的飞行器类型,部分原因是它们易于组装,而且 PX4 具有使它们易于飞行且非常适合作为摄像平台的模式。
  • Helicopters — 直升机具有与多旋翼飞行器类似的优点,但机械上更复杂且效率更高。 它们的飞行也更加困难。
  • Planes (Fixed-wing) — 固定翼飞行器比多旋翼飞行器飞行时间更长、速度更快,因此能够更好地覆盖地面勘测等。 然而,它们比多旋翼飞行器更难飞行和降落,并且如果您需要悬停或飞行非常缓慢(例如,在测量垂直结构时),它们就不适合。
  • VTOL (垂直起飞和降落) - 混合固定翼/多旋翼飞行器兼具两全其美的优势:以垂直模式起飞并像多旋翼飞行器一样悬停,但像飞机一样过渡到向前飞行以覆盖更多地面。 垂直起降飞机通常比多旋翼飞机和固定翼飞机更昂贵,并且更难建造和调试。 它们有多种类型:倾转旋翼机、尾坐式旋翼机、四翼机等等。
  • Airships/Balloons — 轻于空气的飞行器通常可以在高空长时间飞行,但通常以对飞行速度和方向的控制有限(或完全没有控制)为代价。
  • Rovers — 类似汽车的地面车辆。 它们控制简单并且使用起来很有趣。 它们的飞行速度不如大多数飞机快,但可以承载更重的有效载荷,并且静止时不会消耗太多动力。
  • Boats — 水上车辆。
  • Submersibles — 水下航行器。

有关详细信息,请参阅︰

自动驾驶仪 ​

无人机的“大脑”被称为自动驾驶仪。

它至少由在_飞行控制器_(FC)硬件上的实时操作系统(“RTOS”)上运行的_飞行堆栈_软件组成。 飞行堆栈提供必要的稳定和安全功能,通常还提供一定程度的飞行员辅助,以进行手动飞行和自动执行常见任务,例如起飞、降落和执行预定义任务。

一些自动驾驶仪还包括通用计算系统,可以提供“更高级别”的指挥和控制,并可支持更先进的网络、计算机视觉和其他功能。 这可能作为一项单独的 companion computer, 但在未来它越来越有可能成为一个完全集成的组件。

PX4 自动驾驶仪 ​

PX4 是在 NuttX RTOS 上运行的强大的开源自动驾驶仪_飞行堆栈_。

PX4的一些主要功能包括:

PX4 是更广泛的无人机平台的核心部分,其中包括 QGroundControl 地面站, Pixhawk hardware, and MAVSDK 使用 MAVLink 协议与配套计算机、相机和其他硬件集成. PX4 支持 Dronecode Project.

地面控制站 ​

地面控制站 (GCS) 是地面系统,允许 UV 操作员监控和控制无人机及其有效载荷。 已知可与 PX4 配合使用的部分产品如下所列。

QGroundControl ​

Dronecode GCS 软件被称为 QGroundControl ("QGC"). 它可以在 Windows、Android、MacOS 或 Linux 硬件上运行,并支持多种屏幕外形。 您可以从以下网址免费下载 here.

QGC Main Screen

QGroundControl 使用遥测无线电(双向数据链路)与无人机通信,这使您能够获取实时飞行和安全信息,并使用点击界面控制飞行器、摄像机和其他有效载荷。 在支持它们的硬件上,您还可以使用操纵杆控制器手动驾驶飞行器。 QGC 还可用于直观地规划、执行和监控自主任务,设置地理围栏等等。

QGroundControl 桌面版本还用于安装(刷新)PX4 固件并在无人机的自动驾驶仪/飞行控制器硬件上配置 PX4。

Auterion 任务控制 (AMC) ​

Auterion Mission Control 是一款功能强大且功能齐全的地面控制站应用程序,针对飞行员而非车辆配置进行了优化。 虽然设计用于 Auterion 产品,但也可以与“原始”PX4 一起使用。

有关详细信息,请参阅︰

无人机部件和零件 ​

飞行控制器 ​

飞行控制器 (FC) 是加载并运行 PX4 飞行堆栈固件的硬件。 它们连接到传感器(PX4 通过这些传感器确定其状态)以及用于稳定和移动飞行器的执行器/电机。

PX4 可以在多种不同类型的 Flight Controller Hardware, ranging from Pixhawk Series controllers to Linux computers. These include Pixhawk Standard and manufacturer-supported boards. 您应该选择一个适合您车辆的物理限制、您希望执行的活动和成本的板。

有关更多信息,请参阅: Flight Controller Selection

传感器 ​

PX4使用传感器来确定车辆状态,这是稳定车辆和实现自主控制所必需的。 车辆状态包括:位置/高度、航向、速度、空速、方向(姿态)、不同轴的转速、电池电量等。

PX4 最低要求 a gyroscope, accelerometer, magnetometer (compass) and barometer. 这组最小的传感器被整合到 Pixhawk Series 飞行管制员 (and may also be in other controller platforms).

控制器上可以连接额外的/外部传感器。 建议使用以下传感器:

  • A GNSS/GPS 或者需要其他全局位置源来启用所有自动模式和一些手动/辅助模式。

    通常使用结合GNSS和指南针的模块,因为与飞行控制器中的内部指南针相比,外部指南针对电磁干扰的敏感度更低。

  • Airspeed sensors 强烈推荐用于固定翼和垂直起降车辆。

  • Distance Sensors (Rangefinders) 强烈推荐用于所有类型的车辆,因为它们可以实现更平稳、更稳健的着陆,并支持多旋翼地形跟踪等功能。

  • Optical Flow Sensors 可以与多旋翼机和垂直起降机上的距离传感器一起使用,以支持GNSS拒绝环境中的导航。

有关传感器的更多信息,请参阅: Sensor Hardware & Setup.

输出:电机,舵机,执行器 ​

PX4使用_outputs_来控制:电机速度 (e.g. via ESC), 飞行表面,如副翼和襟翼、相机触发器、降落伞、夹具和许多其他类型的有效载荷。

输出可以是PWM端口或DroneCAN节点 (e.g. DroneCAN motor controllers). 下图显示了PWM输出端口 Pixhawk 4 and Pixhawk 4 mini.

Pixhawk 4 output ports Pixhawk4 mini MAIN ports

输出分为MAIN和AUX输出,并单独编号 (i.e. MAINn and AUXn, where n is 1 to usually 6 or 8). 它们也可能被标记为 IO PWM Out and FMU PWM OUT (or similar).

WARNING

飞行控制器可能只有MAINPWM 输出(如 Pixhawk 4 Mini),或者在MAIN或AUX上只有 6 个输出。 确保您选择的控制器具有足够的端口/输出,以满足您的 airframe.

您可以将几乎任何输出连接到任何电机或其他执行器,方法是将相关功能(“电机 1”)分配给 QGroundControl 中的所需输出(“AUX1”)。: Actuator Configuration and Testing. 请注意,每个框架的功能(电机和控制面执行器位置)在 Airframe Reference.

Notes:

  • Pixhawk 控制器有一个 FMU 板,并且可能有一个单独的 IO 板。 如果有 IO 板,则 AUX 端口直接连接到 FMU,而 MAIN 端口连接到 IO 板。 否则,MAIN 端口连接到 FMU,并且没有 AUX 端口。
  • The FMU output ports can use D-shot or One-shot protocols (as well as PWM), which provide much lower-latency behaviour. 这对于竞速机和其他需要更好性能的机体来说是有用的。
  • There are only 6-8 outputs in MAIN and AUX because most flight controllers only have this many PWM/Dshot/Oneshot outputs. 理论上来说,如果总线支持,可以有更多的输出(比如UAVCAN总线就不限于这几个节点)。

ESCs & Motors ​

许多 PX4 无人机使用无刷电机,由飞行控制器通过电子速度控制器 (ESC) 驱动 (ESC 将来自飞行控制器的信号转换为传送给电机的适当功率水平)。

有关 PX4 支持的电调和电机的信息,请参阅:

电池/电源 ​

PX4无人机最常使用的是锂聚合物(LiPo)电池。 电池通常使用 Power Module 或_电源管理板_,为飞行控制器和 ESC(用于电机)提供单独的电源。

有关电池和电池配置的信息,请参阅 Battery Estimation Tuning 以及指南 Basic Assembly (e.g. Pixhawk 4 Wiring Quick Start > Power).

Manual Control ​

飞行员可以使用 Radio Control (RC) System or a Joystick/Gamepad controller connected via QGroundControl.

Taranis X9D Transmitter Photo of MicroNav, a ground controller with integrated joysticks

RC 系统使用专用的地面无线电发射器和车载接收器来发送控制信息。 在首次调整/测试新框架设计时,或在进行赛车/杂技飞行时(以及在低延迟很重要的其他情况下),应始终使用它们。

操纵杆系统使用 QGroundControl 将来自“标准”计算机游戏操纵杆的控制信息编码为 MAVLink 消息,并使用(共享)遥测无线电信道将其发送到车辆。 它们可用于大多数手动飞行用例,例如起飞、勘测等,前提是您的遥测信道具有足够高的带宽/低延迟。

操纵杆通常用于集成 GCS/手动控制系统,因为集成操纵杆比单独的无线电系统更便宜、更容易,并且对于大多数用例来说,较低的延迟并不重要。 一些遥控系统还可以额外接收自动驾驶仪传回的数传信息。

INFO

PX4 不需要自主飞行模式的手动控制系统。

安全开关 ​

车辆可能配备有_安全开关_,必须先启动该开关,车辆才能 armed (when armed, motors are powered and propellers can turn).

此开关几乎总是集成在 GPS module that is connected to the Pixhawk GPS1 port — along with the buzzer and UI LED.

该开关可能默认禁用,但这取决于特定的飞行控制器和机身配置。 您可以使用 CBRK_IO_SAFETY 参数.

INFO

安全开关是可选的。 许多人认为,对于用户来说,永远不要接近供电系统,甚至不要启用/禁用此联锁,这样更安全。

蜂鸣器 ​

车辆通常配备蜂鸣器,用于提供车辆状态和飞行准备情况的声音通知 (see Tune meanings).

该蜂鸣器几乎总是集成在 GPS 连接到 Pixhawk 的模块 GPS1 port — along with the safety switch and UI LED. 您可以使用参数禁用通知音乐 CBRK_BUZZER.

LEDs ​

车辆应具有超亮 UI RGB LED 这表明当前已做好飞行准备。

历史上,这包含在飞行控制器板中。 在较新的飞行控制器上,这几乎总是 I2C peripheral integrated into the GPS 连接到 Pixhawk GPS1 端口的模块——以及 safety switch and buzzer.

数传电台 ​

Data/Telemetry Radios 可以在像_QGroundControl_这样的地面控制站和运行 PX4 的车辆之间提供无线 MAVLink 连接。 这使得在飞行过程中调整参数,实时监视遥测信息,更改任务等成为可能。

机载计算机 ​

A Companion Computer (也称为“任务计算机”或“机外计算机”), 是一台独立的车载计算机,可与 PX4 通信以提供更高级别的指挥和控制。

配套计算机通常运行 Linux,因为这是一个更好的“通用”软件开发平台,并允许无人机利用预先存在的软件进行计算机视觉、网络等。

飞行控制器和配套计算机可以预先集成到单个基板中,从而简化硬件开发,也可以分开,并通过串行电缆、以太网电缆或 wifi 连接。 配套计算机通常使用高级机器人 API 与 PX4 通信,例如 MAVSDK or ROS 2.

相关主题包括:

SD卡(可移除储存器) ​

PX4 使用 SD 存储卡来存储 flight logs, 它们也是使用 UAVCAN 外围设备和飞行所必需的 missions.

默认情况下,如果没有SD卡,PX4将播放 format failed (2-beep) 在启动过程中调整两次(上述功能均不可用)。

TIP

Pixhawk板上支持的最大SD卡大小为32GB。 _SanDisk Extreme U3 32GB_和_Samsung EVO Plus 32_是 highly recommended.

尽管如此,SD卡也只是可选的。 不包含 SD 卡槽的飞行控制器可以:

  • 使用参数禁用通知蜂鸣声 CBRK_BUZZER.
  • Stream logs 到另一个组件(伴侣)。
  • 将任务存储在RAM/FLASH中。

Payloads ​

有效载荷是车辆为满足用户或任务目标而携带的设备,如测量任务中的摄像头、用于检查的仪器,如辐射探测器,以及需要交付的货物。 PX4支持许多摄像头和各种有效载荷。

有效载荷连接到 Flight Controller outputs, 并且可以在任务中自动触发,也可以从RC控制器或操纵杆或地面站(通过MAVLink/MAVSDK命令)手动触发。

有关更多信息,请参阅: Payloads & Cameras

解锁和加锁 ​

当所有电机和执行器都通电时,飞行器即为_武装_状态,当没有通电时,飞行器即为_解除武装_状态。 当只有伺服执行器通电时,飞行器也处于_预武装_状态,主要用于测试。

飞行器通常在地面解除武装,在当前飞行模式下起飞前必须武装。

WARNING

武装车辆非常危险,因为螺旋桨可以在无需用户进一步输入的情况下随时开始旋转,并且在许多情况下会立即开始旋转。

默认情况下,使用 RC 摇杆手势可以触发布防和撤防。 在模式 2 发射器上,您可以通过按住右下方的 RC 油门/偏航摇杆一秒钟来布防,而要撤防,请按住左下方的摇杆一秒钟。 还可以使用遥控上的按钮来配置 PX4 解锁(也可以从地面站发送MAVLink解锁命令)。

为了减少事故发生,车辆在地面时应尽可能少地配备武器。 默认情况下,车辆具有以下功能:

  • 不使用时处于_解除武装_或_预武装_状态(电机无动力),起飞前必须明确_武装_。
  • 如果车辆在武装后没有足够快地起飞,则自动解除武装/预武装(解除武装时间可配置)。
  • 着陆后不久自动解除武装/预武装(时间可配置)。
  • 载具如果不是在“健康”状态,则会解锁不通过。
  • 如果车辆有 safety switch that has not been engaged.
  • 如果垂直起降飞行器处于固定翼模式,则无法启动 (by default).
  • 由于其他一些可选因素,布防可能会被阻止 arming pre-condition settings, 例如电池电量低。

预武装时您仍然可以使用执行器,而解除武装会使所有设备断电。 预武装和解除武装都应该是安全的,并且特定车辆可以支持其中一种或两种。

TIP

有时车辆无法启动,原因并不明显。 QGC v4.2.0(撰写本文时为每日构建)及更高版本提供启动检查报告 Fly View > Arming and Preflight Checks. 从 PX4 v1.14 开始,它提供了有关武装问题以及可能的解决方案的全面信息。

布防和撤防配置的详细概述可以在这里找到: Prearm, Arm, Disarm Configuration.

飞行模式 ​

飞行模式为用户(飞行员)提供不同类型/级别的车辆自动化和自动驾驶辅助。 _自主模式_完全由自动驾驶仪控制,不需要飞行员/遥控器输入。 例如,这些模式用于自动执行常见任务,如起飞、返回原点位置和着陆。 其他自主模式执行预编程任务,跟随 GPS 信标,或接受来自机外计算机或地面站的命令。

_手动模式_由用户(通过 RC 控制杆/操纵杆)在自动驾驶仪的帮助下进行控制。 不同的手动模式可实现不同的飞行特性 - 例如,某些模式可实现特技表演, 而其他模式则无法翻转,并将在逆风情况下保持位置/航向。

TIP

并非所有飞行模式都适用于所有车辆类型,并且某些模式仅在满足特定条件时才能使用(例如,许多模式需要全球位置估计)。

以下是每种飞行器可用的飞行模式概述:

有关如何设置遥控器开关以启用不同飞行模式的说明,请参阅 Flight Mode Configuration.

安全设置(故障保护) ​

PX4 具有可配置的故障安全系统,可在出现问题时保护和恢复您的车辆! 这些系统允许您指定可以安全飞行的区域和条件,以及触发故障安全时将执行的操作(例如,着陆、保持位置或返回指定点)。

INFO

您只能为第一个故障安全事件指定操作。 一旦发生故障安全,系统将输入特殊处理代码,以便后续的故障安全触发器由单独的系统级别和车辆特定代码管理。

主要故障安全区域如下所列:

  • 电池电量低
  • 遥控 (RC) 丢失
  • 位置丢失(全球位置估计质量太低)。
  • 机外丢失(例如,与配套计算机失去连接)
  • 数据链路丢失(例如,与 GCS 失去遥测连接)。
  • 地理围栏突破(限制飞行器在虚拟圆柱体内飞行)。
  • 任务故障保护(防止在新的起飞位置运行先前的任务)。
  • 交通规避(由来自 ADSB 转发器的转发器数据触发)。

有关详细信息,请参阅: Safety (Basic Configuration).

航向和运动方向 ​

所有车辆、船舶和飞机都有一个基于其前进运动的前进方向或方位。

Frame Heading

INFO

对于 VTOL Tailsitter,航向与多旋翼配置有关(即起飞、悬停、着陆时的车辆姿势)。

了解车辆的航向很重要,这样才能将自动驾驶仪与车辆的运动方向对齐。 即使多旋翼飞行器从各个方向对称,它们也有航向! 通常制造商使用彩色螺旋桨或彩色机臂来指示航向。

Frame Heading TOP

在我们的插图中,我们将使用红色表示多旋翼飞行器的前螺旋桨以显示航向。

您可以深入阅读有关 Flight Controller Orientation