경로 계획 인터페이스

PX4 uses a number of MAVLink interfaces for integrating path planning services from a companion computer (including obstacle avoidance in missions, safe landing, and future services):

• There are two MAVLink Path Planning Protocol interfaces:

  • TRAJECTORY_REPRESENTATION_WAYPOINTS : PX4에서 희망 경로 전송에 사용됨. 경로계획 소프트웨어에서 계획 경로에 대한 설정점 스트림을 PX4에 전송할 수 있습니다.
  • TRAJECTORY_REPRESENTATION_BEZIER는 (또는) 경로계획 소프트웨어에서 PX4에 계획 경로를 베지어 곡선으로 전송할 수 있습니다. 곡선은 주어진 기간 동안 기체의 (이동) 위치 설정치를 나타냅니다.

• The HEARTBEAT/Connection Protocol is used for "proof of life" detection.

  The companion computer must have a component id of MAV_COMP_ID_OBSTACLE_AVOIDANCE and be streaming a HEARTBEAT with HEARTBEAT.system_status=MAV_STATE_ACTIVE in order to arm while obstacle avoidance is enabled (otherwise the vehicle will fail the prearm check: Avoidance system not ready).

:::

• LOCAL_POSITION_NED 및 ALTITUDE는 각각 기체의 로컬 위치와 고도를 전송합니다.

COM_OBS_AVOID = 1인 경우 PX4에서 자동 모드 (착륙, 이륙, 보류, 임무, 복귀)에서 경로 계획이 활성화됩니다. 이러한 모드에서 경로 계획 소프트웨어는 PX4에 설정값을 제공할 것으로 예상됩니다. 소프트웨어가 특정 비행 모드를 지원할 수없는 경우 기체의 설정값을 미러링하여야 합니다.

TIP

The message flows from PX4 UORB topics, through MAVLink, to ROS and back again are all documented in PX4/PX4-Avoidance > Message Flows.

이 인터페이스를 사용하는 모든 서비스는 동일한 유형과 형식의 메시지를 송수신합니다. Developers can therefore use this interface to create their own new companion-side path planning services or tweak the existing planner software.

:::note PX4 Vision Autonomy Development Kit는 경로계획 소프트웨어 개발에 권장됩니다. It comes with PX4 avoidance software pre-installed and can be used as the base for your own algorithms. :::

PX4 설정

경로 계획은 COM_OBS_AVOID를 1로 설정하여 PX4내에서 활성화됩니다.

보조 컴퓨터 설정

Companion-side hardware setup and hardware/software configuration is provided in the PX4/PX4-Avoidance Github repo.

필요한 실제 구성과 설정은 사용하는 플래너에 따라 달라집니다.

WARNING

Only one planner can run on the companion computer at a time (at the time of writing). This means that offboard features that use different planners cannot be enabled on the same vehicle at the same time (e.g., a vehicle can support obstacle avoidance and collision prevention, but not also safe landing - or vice versa).

궤적 인터페이스

PX4는 원하는 경로에 대한 정보를 보조 컴퓨터 (COM_OBS_AVOID = 1, 자동 모드에서)로 전송하고, 경로계획 소프트웨어에서 계획된 경로의 설정점들을 다시 수신합니다.

원하는 경로 정보는 아래 PX4 웨이포인트 인터페이스에 설명 된대로 TRAJECTORY_REPRESENTATION_WAYPOINTS 메시지를 사용하여 PX4에서 전송됩니다.

경로 플래너 소프트웨어는 TRAJECTORY_REPRESENTATION_WAYPOINTS (보조 컴퓨터 웨이포인트 인터페이스 참조) 또는 TRAJECTORY_REPRESENTATION_BEZIER ( Companion Bezier Trajectory Interface 참조). 차이점은 웨이포인트는 다음 세트포인트 목적지를 지정하는 반면에, 베지어 궤적은 정확한 차량 움직임을 지정한다는 것입니다 (즉, 시간에 따라 이동하는 세트포인트).

WARNING

경로계획 소프트웨어는 작업을 실행하는 동안 이러한 인터페이스를 혼합해서는 안됩니다 (PX4는 두 유형의 마지막 수신 메시지를 사용합니다).

PX4 웨이포인트 인터페이스

PX4는 TRAJECTORY_REPRESENTATION_WAYPOINTS 메시지에 희망 경로를 초초당 5회 전송합니다.

PX4에서 설정한 필드 :

• time_usec : UNIX Epoch 시간.
• valid_points: 3
• Point 0 - FlightTaskAutoMapper에 의해 튜닝된 현재 웨이포인트 유형 (아래 노트 참조) :
  • pos_x[0], pos_y[0], pos_z[0]: 현재 임무 웨이포인트의 유형 적응 x-y-z NED 로컬 위치
  • vel_x[0], vel_y[0], vel_z[0]: 현재 임무 웨이포인트의 유형 적응 x-y-z NED 로컬 속도
  • acc_x[0], acc_y[0], acc_z[0]: NaN
  • pos_yaw[0]: 현재 요 각도
  • vel_yaw[0]: NaN
  • command[0]: 현재 웨이포인트에서의 MAVLink 명령어
• Point 1 - 현재 웨이 포인트 (수정되지 않음 / 조정되지 않은 유형) :
  • pos_x[1], pos_y[1], pos_z[1]: 현재 임무 웨이포인트의 x-y-z NED 로컬 위치
  • vel_x[1], vel_y[1], vel_z[1]: NaN
  • acc_x[1], acc_y[1], acc_z[1]: NaN
  • pos_yaw[1]: 요 설정점
  • vel_yaw[1]: 요 속도 설정점
  • command[1]: 현재 웨이포인트에서의 MAVLink 명령어
• Point 2 - 로컬 좌표의 다음 웨이 포인트 (수정되지 않음 / 조정되지 않은 유형) :
  • pos_x[2], pos_y[2], pos_z[2]: 다음 임무 웨이포인트의 x-y-z NED 로컬 위치
  • vel_x[2], vel_y[2], vel_z[2]: NaN
  • acc_x[2], acc_y[2], acc_z[2]: NaN
  • pos_yaw[2]: 요 설정점
  • vel_yaw[2]: 요 속도 설정점
  • command[2]: 다음 웨이포인트에서의 MAVLink 명령어
• 다른 모든 인덱스와 필드는 NaN으로 설정됩니다.

참고:

• Point 0은 타겟 유형에 따라 수정된 현재 웨이포인트/타겟입니다. 예를 들어 착륙tl 목표 x, y 좌표 및 하강 속도를 지정하는 것이 합리적입니다. 이를 달성하기 위해 FlightTaskAutoMapper는 위치의 z 구성 요소를 NAN으로 설정하고 z-속도를 원하는 값으로 설정하기 위해 Point 0의 착륙 웨이포인트를 수정합니다.
• Points 1 and 2 are not used by the safe landing planner.
• Point 1 is used by local and global planners.

보조 컴퓨터의 실패 처리

PX4는 오프보드 시스템에서 메시지가 수신되지 않는 경우를 안전하게 처리합니다.

• 실행중인 플래너가없고 COM_OBS_AVOID가 부팅시 활성화 된 경우 :
  • 비행 전 검사는 (기체 모드와 관계없이) 실패하고 COM_OBS_AVOID가 0으로 설정될 때까지 비행하지 않습니다.
• 실행중인 플래너가없고 COM_OBS_AVOID가 부팅후 활성화 된 경우 :
  • 기체는 수동 모드에서 정상적으로 작동합니다.
  • if you switch to an autonomous mode (e.g. Land Mode) it will immediately fall back to Hold mode.
• When external path planning is enabled:
  • HEARTBEAT가 분실된 경우 PX4는 "Avoidance system lost"또는 "Avoidance system timeout"(기체 상태에 따라 다름)을 나타내는 상태 메시지 (QGroundControl에 표시됨)를 내 보냅니다. 이것은 현재 비행 모드와 관계가 없습니다.
  • if a trajectory message is not received for more than 0.5 seconds and the vehicle is in an autonomous mode (Return, Mission, Takeoff, Land), the vehicle will switch into Hold mode. ::: info A planner must always provide points in this timeframe.
  • A planner will mirror back setpoints it receives when the vehicle is in a mode/state for which it doesn't provide path planning. (i.e. the vehicle will follow its desired path, delayed by a very small amount). :::
  • If the execution time of the last-supplied Bezier trajectory expires during path planning (when using the Bezier Trajectory Interface), this is treated the same as not getting a new message within 0.5 seconds (i.e. vehicle switches to Hold mode).

보조 컴퓨터 웨이포인트 인터페이스

경로계획 소프트웨어 (보조 컴퓨터에서 실행)는 계획된 경로를 Point 0에 설정점이있는 TRAJECTORY_REPRESENTATION_WAYPOINTS 메시지의 스트림으로 PX4에 *전송할 수 있습니다 *.

보조 컴퓨터의 메시지 필드는 다음과 같이 설정됩니다.

• time_usec : UNIX Epoch 시간.
• valid_points: 1
• 현재 기체 정보
  • pos_x[0], pos_y[0], pos_z[0]: x-y-z NED 기체 지역 위치 세트포인트
  • pos_x[0], pos_y[0], pos_z[0]: x-y-z NED 세트포인트
  • acc_x[0], acc_y[0], acc_z[0]: NaN
  • pos_yaw[0]: 요 각도 설정점
  • vel_yaw[0]: 요 속도 설정점
  • command[0]: NaN.
• 다른 모든 인덱스와 필드는 NaN으로 설정됩니다.

이 인터페이스를 구현하는 플래너는 다음 기능을 수행하여야합니다.

• PX4에서 메시지를 수신 할 때 2Hz 이상에서 설정값을 송출합니다. PX4 will enter Hold mode if no message is received for more than 0.5s.
• Mirror back setpoints it receives when it doesn't support planning for the current vehicle state (e.g. the local planner would mirror back messages sent during safe landing because it does not support Land mode).

보조 컴퓨터 베지어 궤적 인터페이스

경로계획 소프트웨어 (보조 컴퓨터에서 실행)는 TRAJECTORY_REPRESENTATION_BEZIER 메시지의 스트림으로 PX4에 계획된 경로를 전송할 수 있습니다.

메시지는 타임 스탬프 메시지에서 시작하여 시간 델타 이후에 최종 지점에 도달하는 곡선 (제어점에 의해 정의됨) 측면에서 기체의 운행 경로를 정의합니다. PX4는 메시지가 전송 시간, 현재 시간 및 곡선의 총 시간 (델타)을 사용하여 새 설정값 (곡선을 따라 예상되는 현재 위치/속도/가속도)을 계산합니다.

For example, say the message was sent 0.1 seconds ago, and delta (curve duration) is 0.3s. PX4는 곡선의 0.1s 위치에서 설정값을 계산할 수 있습니다.

더 자세히 설명하면 TRAJECTORY_REPRESENTATION_BEZIER는 다음과 같이 구문 분석됩니다.

• The number of Bezier control points determines the degree of the Bezier curve. For example, 3 points make a quadratic Bezier curve with constant acceleration.
• The Bezier curve must be the same degree in x, y, z, and yaw, with all Bezier control points finite
• The delta array should have the value corresponding with the last Bezier control point to indicate the duration that the waypoint takes to execute the curve to that point, from beginning to end. 델타 배열의 다른 값들은 무시됩니다.
• MAVLink 메시지의 타임스탬프는 곡선이 시작되는 시간이어야하며, 통신 지연과 클럭 불일치는 타임 싱크 메커니즘을 통하여 비행 컨트롤러에서 보상됩니다.
• 제어점은 모두 지역 좌표(MAV_FRAME_LOCAL_NED)로 지정되어야 합니다.
• Bezier curves expire after the execution time of the Bezier curve has been reached. Ensure that new messages are sent at a high enough rate and with a long enough execution time. If this does not happen the vehicle will switch to Hold mode.

지원 하드웨어

Tested companion computers and cameras are listed in PX4/PX4-Avoidance.