Основні поняття

Цей розділ надає базовий вступ до безпілотників та використання PX4 (призначений в основному для користувачів початківців, але також є хорошим введенням для досвідчених користувачів).

If you are already familiar with the basic concepts, you can move on to Basic Assembly to learn how to wire your specific autopilot hardware. To load firmware and set up the vehicle with QGroundControl, see Basic Configuration.

Що таке безпілотник?

Безпілотник, або Безпілотні Транспортні Засоби (БТЗ), - це безпілотний "роботизований" рухомий засіб, яким можна дистанційно або автономно керувати. They can travel in air, on the ground, on/under the water, and are used for many consumer, industrial, government and military applications, including aerial photography/video, carrying cargo, racing, search and surveying, and so on.

Дрони більш формально називаються Безпілотними Повітряними Літальними Апаратами (UAV), Безпілотними Наземними Транспортними Засобами (UGV), Безпілотними Надводними Транспортними Засобами (USV), Безпілотними Підводними Транспортними Засобами (UUV).

INFO

The term Unmanned Aerial System (UAS) typically refers to a UAV and all of the other components of a complete system, including a ground control station and/or radio controller, and any other systems used to control the drone, capture, and process data.

Типи дронів

Існує багато різних рам автомобілів (типів), і всередині типів є багато варіацій. Деякі типи, разом з використанням для яких вони найбільш підходять, перераховані нижче.

• Multicopters — Multi-rotors offer precision hovering and vertical takeoff, at the cost of shorter and generally slower flight. Вони є найпопулярнішим типом літаючого транспорту, частково через те, що їх легко складати, і PX4 має режими, які роблять їх легкими у керуванні та дуже підходять як платформа для камери.
• Helicopters — Helicopters similar benefits to Multicopters but are mechanically more complex and more efficient. Також їм набагато складніше літати.
• Planes (Fixed-wing) — Fixed-wing vehicles offer longer and faster flight than multicopters, and hence better coverage for ground surveys etc. However they are harder to fly and land than multicopters, and aren't suitable if you need to hover or fly very slowly (e.g. when surveying vertical structures).
• VTOL (Vertical Takeoff and Landing) - Hybrid Fixed-wing/Multicopter vehicles offer the best of both worlds: take off in vertical mode and hover like a multicopter but transition to forward flight like an airplane to cover more ground. Апарати VTOL часто дорожчі за мультикоптери або апарати літакового типу, а також їх важче збирати та налаштовувати. Вони існують у ряді типів: тілтротори, тейлсітери, квадроплани тощо.
• Airships/Balloons — Lighter-than-air vehicles that typically offer high altitude long duration flight, often at the cost of having limited (or no) control over speed and direction of flight.
• Rovers — Car-like ground vehicles. Вони прості в керуванні та часто приємні у використанні. Вони не можуть рухатися так швидко, як більшість повітряних суден, але можуть нести важчі вантажі, і не використовують багато енергії, коли стоять.
• Boats — Water-surface vehicles.
• Submersibles — Underwater vehicles.

Для додаткової інформації дивіться:

• Vehicle Types & Setup
• Airframe setup
• Airframe Reference.

Автопілоти

"Мізками" дрону є автопілот.

It minimally consists of flight stack software running on a real time OS ("RTOS") on flight controller (FC) hardware. Політний стек забезпечує основну стабілізацію та функції безпеки, а зазвичай також певний рівень допомоги пілоту для ручного польоту та автоматизації загальних завдань, таких як зліт, посадка та виконання попередньо визначених місій.

Деякі автопілоти також включають універсальну обчислювальну систему, яка може забезпечувати "вищий рівень" управління та контролю, а також підтримувати більш просунуті мережеві технології, машинний зір та інші можливості. This might be implemented as a separate companion computer, but in future it is increasingly likely to be a fully integrated component.

Політний стек PX4

PX4 is powerful open source autopilot flight stack running on the NuttX RTOS.

Деякі ключові можливості PX4:

• Supports many different vehicle frames/types, including: multicopters, fixed-wing aircraft (planes), VTOLs (hybrid multicopter/fixed-wing), ground vehicles, and underwater vehicles.
• Great choice of drone components for flight controller, sensors, payloads, and other peripherals.
• Flexible and powerful flight modes and safety features.
• Robust and deep integration with companion computers and robotics APIs such as ROS 2 and MAVSDK).

PX4 is a core part of a broader drone platform that includes the QGroundControl ground station, Pixhawk hardware, and MAVSDK for integration with companion computers, cameras and other hardware using the MAVLink protocol. PX4 is supported by the Dronecode Project.

Наземні станції керування

Станції земного контролю (GCS) - це системи на землі, які дозволяють операторам УЗ контролювати і керувати безпілотником та його вантажем. Підмножина продуктів, які відомо, що працюють з PX4, перераховані нижче.

QGroundControl

The Dronecode GCS software is called QGroundControl ("QGC"). Він працює на апаратному забезпеченні Windows, Android, MacOS або Linux і підтримує широкий спектр форм факторів екрану. You can download it (for free) from here.

QGroundControl communicates with the drone using a telemetry radio (a bidirectional data link), which allows you to get real-time flight and safety information, and to control the vehicle, camera, and other payloads using a point-and-click interface. На апаратному забезпеченні, яке їх підтримує, ви також можете вручну керувати транспортним засобом за допомогою джойстиків. QGC також може бути використаний для візуального планування, виконання та моніторингу автономних місій, встановлення геозахисту та багато іншого.

Настільні версії QGroundControl також використовуються для встановлення (прошивки) PX4 та налаштування PX4 на автопілоті/контролері польоту дрона.

Auterion Mission Control (AMC)

Auterion Mission Control is a powerful and fully featured ground control station application that is optimized for pilots rather than vehicle configuration. Хоча призначений для роботи з продуктами Auterion, його можна використовувати з "ванільним" PX4.

Для додаткової інформації дивіться:

• AMC docs
• Download from Auterion Suite

Drone Components & Parts

Політний контролер

Контролери польоту (FC) - це апаратне забезпечення, на яке завантажується та виконується прошивка стеку польоту PX4. Вони підключені до датчиків, за допомогою яких PX4 визначає свій стан, а також до виконавчих пристроїв/двигунів, які він використовує для стабілізації та переміщення транспортного засобу.

PX4 can run on many different types of Flight Controller Hardware, ranging from Pixhawk Series controllers to Linux computers. These include Pixhawk Standard and manufacturer-supported boards. Вам слід обирати плату, яка відповідає фізичним обмеженням вашого апарату, видам діяльності, які ви хочете виконувати та, за вартістю.

For more information see: Flight Controller Selection

Датчики

Системи на основі PX4 використовують датчики для визначення стану транспортного засобу, який їй потрібен для стабілізації транспортного засобу та увімкнення автономного керування. Стани транспортного засобу включають: позицію/висоту, курс, швидкість, швидкість польоту, орієнтацію (відносно чогось), швидкість обертання в різних вісях, рівень заряду батареї тощо.

PX4 minimally requires a gyroscope, accelerometer, magnetometer (compass) and barometer. This minimal set of sensors is incorporated into Pixhawk Series flight controllers (and may also be in other controller platforms).

До контролера можна приєднати додаткові/зовнішні датчики. The following sensors are recommended:

• A GNSS/GPS or other source of global position is needed to enable all automatic modes, and some manual/assisted modes.

  Typically a module that combines a GNSS and Compass is used, as an external compass can be made less susceptible to electromomagnetic interference than the internal compass in the flight controller.

• Airspeed sensors are highly recommended for fixed-wing and VTOL-vehicles.

• Distance Sensors (Rangefinders) are highly recommended for all vehicle types, as they allow smoother and more robust landings, and enable features such as terrain following on multicopters.

• Optical Flow Sensors can be used with distance sensors on multcopters and VTOL to support navigation in GNSS-denied environments.

For more information about sensors see: Sensor Hardware & Setup.

Виводи: Двигуни, Сервоприводи, Актуатори, або приводи

PX4 uses outputs to control: motor speed (e.g. via ESC), flight surfaces like ailerons and flaps, camera triggers, parachutes, grippers, and many other types of payloads.

The outputs may be PWM ports or DroneCAN nodes (e.g. DroneCAN motor controllers). The images below show the PWM output ports for Pixhawk 4 and Pixhawk 4 mini.

The outputs are divided into MAIN and AUX outputs, and individually numbered (i.e. MAINn and AUXn, where n is 1 to usually 6 or 8). They might also be marked as IO PWM Out and FMU PWM OUT (or similar).

WARNING

A flight controller may only have MAIN PWM outputs (like the Pixhawk 4 Mini), or may have only 6 outputs on either MAIN or AUX. Ensure that you select a controller that has enough ports/outputs for your airframe.

You can connect almost any output to any motor or other actuator, by assigning the associated function ("Motor 1") to the desired output ("AUX1") in QGroundControl: Actuator Configuration and Testing. Note that the functions (motor and control surface actuator positions) for each frame are given in the Airframe Reference.

Notes:

• Pixhawk controllers have an FMU board and may have a separate IO board. If there is an IO board, the AUX ports are connected directly to the FMU and the MAIN ports are connected to the IO board. Otherwise the MAIN ports are connected to the FMU, and there are no AUX ports.
• The FMU output ports can use D-shot or One-shot protocols (as well as PWM), which provide much lower-latency behaviour. Це може бути корисним для тих хто займається перегонами та інших планерів які потребують кращої ефективності.
• There are only 6-8 outputs in MAIN and AUX because most flight controllers only have this many PWM/Dshot/Oneshot outputs. В теорії може бути більше виводів, якщо шина підтримує це (наприклад UAVCAN не обмежена такою малою кількістю вузлів).

ESCs & Motors

Багато безпілотників на базі P4X використовують безколекторні електродвигуни, які керуються польотним контролером через електронний регулятор швидкості (ECS) (ECS перетворює сигнал з політного контролера у відповідний рівень потужності, що передається на мотор).

Для отримання інформації про те, які ESC/мотори підтримуються PX4 дивіться:

• ESC & Motors
• ESC Calibration
• ESC Firmware and Protocols Overview (oscarliang.com)

Батарея/Живлення

Безпілотники на базі PX4 найчастіше працюють від літій-полімерних акумуляторів (LiPo). The battery is typically connected to the system using a Power Module or Power Management Board, which provide separate power for the flight controller and to the ESCs (for the motors).

Information about batteries and battery configuration can be found in Battery Estimation Tuning and the guides in Basic Assembly (e.g. Pixhawk 4 Wiring Quick Start > Power).

Ручне керування

Pilots can control a vehicle manually using either a Radio Control (RC) System or a Joystick/Gamepad controller connected via QGroundControl.

Системи радіокерування використовують спеціалізований наземний радіопередавач та приймач на апараті для передачі сигналів керування. Вони завжди повинні використовуватися, коли ви вперше налаштовуєте/тестуєте нову конструкцію рами або під час польотів на перегонах / акробатичних польотах (та інших випадках коли важлива мала затримка).

Системи з джойстиком використовують QGroundControl для кодування інформації керування з "стандартного" ігрового джойстика комп'ютера у повідомлення MAVLink та надсилають її до апарату за допомогою (спільного) радіоканалу телеметрії. Вони можуть використовуватися для більшості випадків ручного польоту, таких як зліт, обстеження тощо, за умови, що ваш канал телеметрії має достатньо високу пропускну спроможність / низьку затримку.

Джойстики часто використовуються в інтегрованих GCS / системах ручного керування, тому що інтеграція джойстика дешевша та простіша, ніж окремої системи радіокерування, і для більшості випадків використання нижча затримка не має значення. Вони також ідеально підходять для польотів у симуляторі PX4, оскільки їх можна безпосередньо під'єднати до вашого комп'ютера наземної станції керування.

INFO

PX4 does not require a manual control system for autonomous flight modes.

Запобіжний перемикач

Vehicles may include a safety switch that must be engaged before the vehicle can be armed (when armed, motors are powered and propellers can turn).

This switch is almost always integrated into the GPS module that is connected to the Pixhawk GPS1 port — along with the buzzer and UI LED.

The switch may be disabled by default, though this depends on the particular flight controller and airframe configuration. You can disable/enable use of the switch with the CBRK_IO_SAFETY parameter.

INFO

Safety switches are optional. Many argue that it is safer for users never to approach a powered system, even to enable/disable this interlock.

Зумер

Vehicles commonly include a buzzer for providing audible notification of vehicle state and readiness to fly (see Tune meanings).

This buzzer is almost always integrated into the GPS module that is connected to the Pixhawk GPS1 port — along with the safety switch and UI LED. You can disable the notification tunes using the parameter CBRK_BUZZER.

Світлодіоди

Vehicles should have a superbright UI RGB LED that indicates the current readiness for flight.

Historically this was included in the flight controller board. On more recent flight controllers this is almost always an I2C peripheral integrated into the GPS module that is connected to the Pixhawk GPS1 port — along with the safety switch and buzzer.

Радіопередавачі даних/телеметрії

Data/Telemetry Radios can provide a wireless MAVLink connection between a ground control station like QGroundControl and a vehicle running PX4. Це дозволяє налаштовувати параметри, коли транспортний засіб в польоті, перевіряти телеметрію в режимі реального часу, змінювати політне завдання на льоту тощо.

Бортовий / Супутній комп'ютер

A Companion Computer (also referred to as "mission computer" or "offboard computer"), is a separate on-vehicle computer that communicates with PX4 to provide higher level command and control.

Супутній комп'ютер зазвичай працює на Linux, оскільки це краща платформа для розробки програмного забезпечення та дозволяє безпілотникам отримувати перевагу від наявності передвстановленого програмного забезпечення для машинного зору, мережевої взаємодії тощо.

Політний контролер та супутній комп'ютер можуть бути інтегровані на одній платі, полегшуючи розробку апаратного забезпечення, чи бути окремими пристроями, під'єднаними через serial кабель, Ethernet кабель чи WiFi. The companion computer typically communicates with PX4 using a high level Robotics API such as MAVSDK or ROS 2.

Відповідні теми:

• Companion Computers
• Off-board Mode - Flight mode for offboard control of PX4 from a GCS or companion computer.
• Robotics APIs

SD-карти (знімна пам'ять)

PX4 uses SD memory cards for storing flight logs, and they are also required in order to use UAVCAN peripherals and fly missions.

By default, if no SD card is present PX4 will play the format failed (2-beep) tune twice during boot (and none of the above features will be available).

TIP

The maximum supported SD card size on Pixhawk boards is 32GB. The SanDisk Extreme U3 32GB and Samsung EVO Plus 32 are highly recommended.

SD карти, однак, не обов'язкові. Політні контролери, які не містять слот для SD карти, можуть:

• Disable notification beeps are disabled using the parameter CBRK_BUZZER.
• Stream logs to another component (companion).
• Зберігати місії в RAM/FLASH.

Корисне навантаження

Корисне навантаження — це обладнання, яке переноситься апаратом для досягнення цілей користувача або місії, такі як камери в місіях з обстеження, інструменти, що використовуються для інспектування, наприклад, детектори радіації, та вантаж, який потрібно доставити. PX4 підтримує багато камер та широкий спектр корисних навантажень.

Payloads are connected to Flight Controller outputs, and can be triggered automatically in missions, or manually from an RC Controller or Joystick, or from a Ground Station (via MAVLink/MAVSDK commands).

For more information see: Payloads & Cameras

Увімкнення та вимкнення

A vehicle is said to be armed when all motors and actuators are powered, and disarmed when nothing is powered. There is also a prearmed state when only servo actuators are powered, which is primarily used for testing.

A vehicle is usually disarmed on the ground, and must be armed before taking off in the current flight mode.

WARNING

Armed vehicles are dangerous because propellers can start spinning at any time without further user input, and in many cases will start spinning immediately.

Arming and disarming are triggered by default using RC stick gestures. On Mode 2 transmitters you arm by holding the RC throttle/yaw stick on the bottom right for one second, and to disarm you hold the stick on bottom left for one second. Також альтернативно є можливість налаштувати PX4 для увімкнення за допомогою RC перемикача або кнопки (й можна відправляти MAVLink команди увімкнення з наземної станції).

Для зменшення нещасних випадків, коли рухомі засоби на землі, вони повинні бути увімкненими якомога менше часу. За замовчуванням рухомі засоби:

• Disarmed or Prearmed (motors unpowered) when not in use, and must be explicitly armed before taking off.
• Автоматично перемикаються у стан disarmed/prearmed якщо засіб не злетів достатньо швидко після увімкнення (час перемикання налаштовується).
• Автоматично перемикаються у стан disarmed/prearmed незабаром після посадки (час налаштовується).
• Увімкнення запобігається, якщо засіб не в "нормальному" стані.
• Arming is prevented if the vehicle has a safety switch that has not been engaged.
• Arming is prevented if a VTOL vehicle is in fixed-wing mode (by default).
• Arming may be prevented due to a number of other optional arming pre-condition settings, such as low battery.

В стані prearmed можна користуватись приводами, тоді як disarmed вимикає усе живлення. Prearmed та disarmed стани є безпечними, а конкретний рухомий засіб може підтримувати один зі станів або обидва.

TIP

Sometimes a vehicle will not arm for reasons that are not obvious. QGC v4.2.0 (Daily build at time of writing) and later provide an arming check report in Fly View > Arming and Preflight Checks. Починаючи з PX4 v1.14 це забезпечує комплексну інформацію про проблеми увімкнення разом з можливими рішеннями.

A detailed overview of arming and disarming configuration can be found here: Prearm, Arm, Disarm Configuration.

Режими польоту

Режими польоту забезпечують різні типи/рівні автоматизації рухомого засобу та підтримки користувача (пілота) з боку автопілоту. Autonomous modes are fully controlled by the autopilot, and require no pilot/remote control input. Ці режими використовуються, наприклад, для автоматизації загальних задач на кшталт зльоту, повернення до початкової позиції, приземлення тощо. Інші автономні режими виконують запрограмовані місії, слідують за GPS маяком або приймають команди з бортового комп'ютера або наземної станції.

Manual modes are controlled by the user (via the RC control sticks/joystick) with assistance from the autopilot. Різні ручні режими надають різні характеристики польоту, наприклад, в деяких режимах доступні акробатичні трюки, тоді як інші не можливо зрушити й вони будуть утримувати позицію/курс проти вітру.

TIP

Not all flight modes are available on all vehicle types, and some modes can only be used when specific conditions have been met (e.g. many modes require a global position estimate).

Огляд доступних режимів польоту для кожного засобу можна знайти тут:

• Режими польоту (Мультикоптер)
• Режими польоту (Фіксовані крила)
• Flight Modes (VTOL)
• Drive Modes (Differential Rover)
• Drive Modes (Ackermann Rover)

Instructions for how to set up your remote control switches to enable different flight modes is provided in Flight Mode Configuration.

Налаштування безпеки (Відмовостійкість)

PX4 має системи відмовостійкості, які можна налаштувати для захисту та повернення вашого засобу якщо щось піде не так! Вони дозволяють вам вказати території й умови, за яких можна безпечно літати, а також дію, що буде виконуватися, якщо відбудеться умова запобігання відмові (наприклад, посадка, утримання позиції або повернення до зазначеної точки).

INFO

You can only specify the action for the first failsafe event. Як тільки запобіжна подія станеться, система перейде в режим спеціального виконання таким чином, що наступні тригери запобігання відмові будуть управлятися окремим рівнем системи та кодом притаманним конкретному рухомому засобу.

Основні запобіжні випадки перераховані нижче:

• Низький заряд батареї
• Втрата дистанційного керування (RC)
• Втрата позиції (якість глобальної оцінки позиції занадто низька).
• Втрата бортового комп'ютера (наприклад втрата зв'язку із супутнім комп'ютером)
• Втрата каналу даних (наприклад втрата з'єднання телеметрії з GCS).
• Порушення геозони (обмеження польоту апарату у віртуальному циліндрі).
• Запобігання відмові місії (запобігає запуску попередньої місії під час зльоту з нової локації).
• Уникнення трафіку (викликається даними з, наприклад ADSB транспондера).

For more information see: Safety (Basic Configuration).

Курс та напрямок руху

Усі транспортні засоби, човни та літаки мають напрям курсу або орієнтацію, що базується на їхньому русі вперед.

INFO

For a VTOL Tailsitter the heading is relative to the multirotor configuration (i.e. vehicle pose during takeoff, hovering, landing).

Важливо знати напрямок курсу рухомого засобу з метою приведення автопілота у відповідність з вектором руху. Мультикоптери мають напрямок руху навіть якщо вони симетричні з усіх боків! Зазвичай виробники використовують кольорові позначки або кольорові руки для того, щоб вказати напрямок руху.

В наших ілюстраціях ми будемо використовувати червоне забарвлення для передніх пропелерів мультикоптера для того, щоб вказати напрямок руху.

You can read in depth about heading in Flight Controller Orientation