PX4/PIXHAWK无人机代码控制流程_pix起飞命令

一般来说，无人机的飞行控制方式主要有三种，分别为遥控器，地面站以及自定义软件；其中地面站跟自定义软件广义来说可归为一类，地面站本就是被用来控制飞行器，已经被开发好的软件；但是说到地面站，通常指的是QGC（QGroundControl）和MP（MissionPlane）;两者区别主要在于MP仅支持APM固件且仅支持Windows平台，QGC兼容APM/PX4固件，并且跨平台（Windows，Linux,Android，IOS）；这里主要介绍如何用自己写的代码来控制无人机，首先有几个概念需要了解一下；

飞行模式（PX4）：

px4固件支持10几种飞行模式，不同机型支持不同的飞行模式，以下主要基于多旋翼无人机；多旋翼主要可以分为手动模式以及自动模式；

1.手动模式

（一）位置模式：位置是一种易于飞行的RC模式，其中滚动和俯仰杆控制车辆左右和前后方向上的地面加速度（类似于汽车的油门），油门控制升降速度。

（二）高度模式：高度模式是一种相对容易飞行的RC模式，其中滚动和俯仰杆控制车辆在左右和前后方向（相对于车辆的“前部”）上的运动，偏航杆控制水平面上的旋转速度，油门控制升降速度。

（三）自稳模式：当RC控制杆居中时，手动/稳定模式可稳定多旋翼。要手动使机体移动，您可以移动摇杆使其偏离居中位置。

（四）特技模式：特技模式是用于执行特技动作的RC模式，例如翻转、翻滚。横滚、俯仰和偏航杆控制围绕各自轴的角速率，油门直接传递至控制分配。当操纵杆居中时，飞机将停止旋转，但保持其当前姿态并根据当前动量移动。

2.自动模式

（一）保持：等待飞行模式（也称为“悬停”）使无人机停止并保持其当前的GPS位置和高度（MC无人机将在GPS位置悬停，而FW无人机将在其周围盘旋）。

（二）返航：返航飞行模式用于将车辆在无障碍的路径上安全飞行至安全目的地，在那里可以等待（悬停或盘旋）或降落。

（三）任务：任务模式使车辆执行已上传至飞行控制器的预定义自主任务（飞行计划）。任务通常由地面控制站（GCS）应用程序（如QGroundControl）创建并上传；

（四）起飞：起飞飞行模式使无人机起飞到指定高度并等待进一步指令；

（五）降落：使无人机降落在开启此模式时的位置。降落后，无人机将会在一小段时间后上锁（默认情况下）。

（六）跟随：跟随模式允许多旋翼机自主保持相对于另一个系统的位置和高度，该系统使用Follow_TARGET广播其位置（可选速度）MAVLink消息。

（七）Offboard：飞机遵守 MAVLink 提供的位置，速度或姿态设定值。 设定值可以由机载计算机上运行的 MAVLink API（例如 MAVSDK(opens new window) 或 MAVROS

(opens new window)）提供（通常通过串口或 wifi 连接）。

Mavlink协议：

无论是选择何种飞控，想要做二次开发，mavlink协议是永远避不开也是最重要的无人机通信协议，上面所说的地面站也是基于mavlink通信协议，所以说彻底搞清楚了mavlink协议，后面开发也会事半功倍；篇幅问题，这里就不过多介绍；

Offboard模式：

上面飞行模式中介绍过，是飞行模式中的一种；要想越过地面站，直接用自己写的几十行代码来控制无人机，Offboard模式也是必须要了解的模式；

Offboard官网介绍：

Offboard模式通过设置位置、速度、加速度、姿态、姿态角速率或力/扭矩设置点来控制飞行器的移动和姿态。

PX4必须能够以2HZ的速率连续收到MAVLink设置点消息或ROS2 OffboardControlMode 消息以确保外部控制器是正常运行的。该消息必须已经持续发送1秒钟以上PX4才能在Offboard模式下解锁或在飞行中切换至Offboard模式。如果在外部控制器给出的指令速率低于2Hz，PX4将在超时(COM_OF_LOSS_T)后退出Offboard模式，并尝试降落或执行其他一些失败保护行为。失效保护行为取决于RC遥控器是否可用，依据参数 COM_OBL_RC_ACT 的设定。

当使用MAVLink时，设定值消息既传达了指示外部控制器"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。

两个要点：

1）需要以不低于2HZ的频率向PX4中写入设置点消息；

2）通过设置位置、速度、加速度、姿态、姿态角速率或力/扭矩设置点来控制飞行器的移动和姿态。

可以通过官网给出的例程来简单理解一下：

c_uart_interface_example-master源码剖析：

c_uart_interface_example是mavlink团队提供的一个演示如何用c语言调用mavlink API对飞机做offboard控制的例子程序，源码地址如下：https://github.com/mavlink/c_uart_interface_example。

下载打开文件可以看到文件结构如下：

官网程序是基于linux构建的，在readme中介绍了文件的调用过程；

给出的例程是让无人机起飞至两米高度，然后设置x方向速度，再旋转180°，最后以1m/s的速度降落，程序结束；

程序的使用：

c_uart_interface_example的可执行程序是mavlink_control，它的使用方式如下：

     mavlink_control [-d <devicename> -b <baudrate>] [-u <udp_ip> -p <udp_port>] [-a]

常用的运行mavlink_control的两种形式：

1. 在本机运行mavlink_control, 仿真环境也在本机

               mavlink_control -u 127.0.0.1 -a

         其中：-u选项是指定PX4在127.0.0.1（本机地址）机器上运行；udp的port没有指定，缺省是14540；-a的意思是autotakeoff（自动起飞）。

2. 在offboard计算机中运行mavlink_control，将offboard计算机与安装有PX4固件的自驾仪Pixhawk做串口连接（注意，如果Pixhawk是在真实飞机上，需要卸下浆叶）

               mavlink_control -d /dev/ttyUSB0 -b 57600 -a

          其中：-d选项是指定串口名字，连接采用的是USB转串口电缆，所以用的设备名为ttyUSB0；-b选项是指定这个串口的通讯波特率，这个波特率需要与地面站（比如：QGroundControl）为PX4的串口（通常为TELE2）设置的波特率一致，需要核实一下，否则连不通； -a的意思是autotakeoff（自动起飞）。

源代码结构：

主程序：mavlink_control（.h/.cpp）；

无人机PX4控制接口：Autopilot_interface（.h/.cpp）；

通讯接口：generic_port（.h/.cpp）(接口基类),serial_port（.h/.cpp）（串口派生类）,udp_port（.h/.cpp）（UDP派生类）；

Mavlink通讯协议：再mavlink文件夹中，需要在官网下载c_library_v2源码复制在mavlink/include/mavlink/v2文件夹下（注意不是把整个文件夹放进去）；

程序分析：

进入主程序，首先定位主函数，创建连接之后，打开连接（port->start（））,调用PX4控制接口（autopilot_interface.start（）），在autopilot_interface的start函数中，主要是开启了两个线程，即读线程跟写线程；

首先读线程启动，通过通讯接口接收飞控板传回的mavlink协议，然后再根据对应的msgid解码出需要的信息，保存到全局变量current_messages中。但是需要注意的是读线程跟写线程并不是同时启动的，并且写线程是需要条件触发的。

写线程的目的是为了向飞控板发送设定点（setPoint）信息，以打开offboard模式，所以需要写入的信息是local_position_ned和attitude这两条信息，只有在飞控板传回的数据中读取到这两条信息，才会开启写线程，并且开启写线程之后会持续以4HZ的频率继续发送设定点信息，至此进入off board模式的必要条件已经有了。

在这一步可能会遇到一个问题，local_position_ned信息在室外可以由GPS提供，在室内因为信号差，GPS是不能提供这个信息的，所以此时在室内是无法开启写线程的；解决办法是在无人机安装光流传感器或者去到室外；

读写线程均开启之后，就是打开offboard模式了，这一步在autopilot_interface中的toggle_offboard_control函数中，首先定义一个mavlink_command_long_t结构体com，并且设置相应参数，然后通过通信接口发送到飞控板中，写入成功就打开了offboard模式，然后解锁（arm_disarm）,接下来跑完三个例程，退出offboard，关闭线程，关闭接口，程序结束；

示例中是通过set_position(),set_velocity(),void set_yaw(),来分别控制位置，速度和姿态，在offboard模式下基本能够完成基础的飞行动作；

总结：

网上查了很多资料，想要使用代码控制无人机，大致有三种方式基于python的DroneKit接口，基于mavros的程序控制，以及直接基于mavlink的程序开发；但总而言之，都是基于mavlink通信协议；

参考博客：

http://t.csdn.cn/BygBO

http://t.csdn.cn/LwBM4