# 基本概念

本主题提供了无人机和使用 PX4 的基本介绍(主要面向新手用户,但对有经验的用户也是一个很好的介绍)。

如果你已经熟悉了基本概念,你可以转到 基本组装 以了解如何连接特定的自驾仪硬件。 要加载固件并使用 QGC 地面站 设置飞行器,请查看 基本配置

# 无人机是什么?

无人机是无人驾驶的“机器人”设备,可以远程或自动控制。

无人机可被用于 消费级、工业级、政府、军工应用 (opens new window)。 这包括(非详尽):航空摄影/录像,载货,竞速,搜索和测绘等。

Tip 存在用于空中、地面、海洋和水下各种不同类型的无人机。 这些(更正式地)被称为无人驾驶飞行器(UAV),无人驾驶飞行器系统(UAS),无人驾驶地面车辆(UGV),无人驾驶水面船只(USV),无人驾驶水下潜航器(UUV)。

无人机的“大脑”被称为自动驾驶仪。 它由在 载具控制器(“飞行控制器”)硬件上运行的 飞行栈 软件组成。

# PX4 自动驾驶仪

PX4 (opens new window)是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 是一个大型无人机平台的核心部分,它们都包括 QGC 地面站Pixhawk 硬件 (opens new window),还有MAVSDK (opens new window) 用于与机载计算机集成,相机还有其他使用 MAVLink 协议的硬件。 PX4 由 Dronecode 项目 (opens new window) 支持。

# QGroundControl

Dronecode 地面控制站称为 QGC 地面站 (opens new window)。 您可以使用* QGroundControl *将(闪存)PX4 加载到飞行器控制硬件上,您可以设置飞行器,更改不同参数,获取实时飞行信息以及创建和执行完全自主的任务。

QGroundControl 可以在 Windows,Android,MacOS 或 Linux 上运行。 从 这里 (opens new window) 下载并安装。

QGC 主屏幕

# 机体/飞行控制板

PX4最初设计为在 Pixhawk 系列 飞控上运行,但现在可以在 Linux 计算机和其他硬件上运行。 选择飞行控制板时,您应当考虑飞行器的物理尺寸限制,想要执行的活动,还有必不可少的成本。

更多信息,请参阅:飞行控制器选择

# 传感器

PX4 使用传感器来确定飞行器状态(稳定和启用自动控制所需)。 系统*最低要求 *陀螺仪,加速度计,磁力计(罗盘)和气压计。 需要 GPS 或其他定位系统来启用所有自动模式和一些辅助模式。 固定翼和 VTOL 飞行器还应包括空速传感器(强烈推荐)。

有关详细信息,请参阅︰

# Outputs: Motors, Servos, Actuators

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.

For example, the images below show the PWM output ports for Pixhawk 4 and Pixhawk 4 mini.

Pixhawk 4 output ports Pixhawk4 mini MAIN ports

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).

Tip The specific purpose for each output is hard coded on a per-airframe basis. The output mapping for all airframes is given in the Airframe Reference.

Warning A flight controller may only have MAIN 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 of the right types of ports/outputs for your airframe.

Typically the MAIN port is used for core flight controls while AUX is used for non-critical actuators/payloads (though AUX may be used for flight controls if there aren't enough MAIN ports for the vehicle type- e.g. VTOL). For example, in a Generic Quadcopter the MAIN outputs 1-4 are used for corresponding motors, while the remaining MAIN and some AUX outputs are used for RC passthrough.

The actual ports/bus used for the outputs on the flight controller depends on the hardware and PX4 configuration. Usually the ports are mapped to PWM outputs as shown above, which are commonly screen printed MAIN OUT and AUX OUT.

They might also be marked as FMU PWM OUT or IO PWM Out (or similar). Pixhawk controllers have a "main" 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. This can be useful for racers and other airframes that require better performance.

The output ports may also be mapped to UAVCAN nodes (e.g. UAVCAN motor controllers). The (same) airframe mapping of outputs to nodes is used in this case.

备注:

  • There are only 6-8 outputs in MAIN and AUX because most flight controllers only have this many PWM/Dshot/Oneshot outputs. In theory there can be many more outputs if the bus supports it (i.e. a UAVCAN bus is not limited to this few nodes).

# 电调 & 电机

许多 PX4 无人机使用无刷电机,其由飞行控制器通过电子调速器(ESC)驱动(ESC将来自飞行控制器的信号转换为合适的功率水平,传递给电机)。

有关 PX4 支持的电调和电机的信息,请参阅:

# 电池/电源

PX4 无人机通常由锂聚合物(LiPo)电池供电。 电池通常使用*电源模块 电源管理板 *连接到系统,它为飞行控制器和 ESC(用于电动机)提供单独的动力。

有关电池和电池配置的信息,请参见电池配置基本组件(例如 Pixhawk 4 接线快速入门>电源)。

# 无线电控制(遥控)

遥控(RC)系统用于 手动 控制机体。 它由一个遥控装置组成,使用发射机来与飞行器上的接收机通信。 一些 RC 系统还可以接自动驾驶仪传回的收遥测信息。

Note PX4 在自主飞行模式中不需要遥控系统。

Taranis X9D遥控器。

遥控系统选择 说明如何选择遥控系统。 其他相关主题包括:

  • 遥控设置 - QGC 地面站 中的遥控配置。
  • 飞行 101 - 学习如何使用遥控器飞行。
  • FrSky 数传 - 设置遥控发射机以从 PX4 接收数传/状态更新。

# 地面站游戏手柄控制器

通过 QGC 地面站 连接 计算机游戏手柄 也可以用来手动控制 PX4(QGC 将游戏手柄的动作转换为 MAVLink 消息通过数传链接发送)。 这种方法被一些集成了地面站的地面端遥控器所使用的,如下图中的 UAVComponents MicroNav (opens new window) 所示。 游戏手柄也经常被用于无人机的飞行仿真中。

Joystick MicroNav.

# 安全开关

机体通常必须有一个 安全开关,然后才能使用 解锁(解锁后,电机会供电,螺旋桨开始旋转)。 通常,安全开关被整合到GPS设备中,但也可能是一个单独的物理组件。

Note 解锁后的机体是有潜在危险的。 安全开关是防止意外解锁发生的一个附加机制。

# 数传电台

数据/遥测无线电可以在诸如* QGroundControl *的地面控制站与运行 PX4 的飞行器之间提供无线 MAVLink 连接。 这使得飞机飞行时调试、检查数传、更改任务等等成为了可能。

# 机载计算机

PX4 可以通过串行电缆或 wifi 由独立的机载计算机进行控制。 机载计算机通常使用 MAVLink API(如 MAVSDK 或 MAVROS)进行通信。

Note使用 Robotics API 需要软件开发技能,并且超出了本指南的范围。

# SD卡(可移除储存器)

PX4 使用 SD 储存卡存储 飞行日志,而且还需要内存卡才能使用 UAVCAN 外围设备,运行 飞行任务

默认情况下,如果没有 SD 卡,PX4 将在启动时播放 格式化失败(2-声短响) 两次(且上述需要储存卡的功能都不可用)。

Tip Pixhawk 主板支持的最大 SD 卡大小为 32 GB 。 强烈推荐使用 SanDisk Extreme U3 32GB(开发者指南)。

SD 卡在某些情况下也是可选的。 不包含 SD 卡槽的飞行控制器可以:

  • 使用参数 CBRK_BUZZER 禁用通知蜂鸣器。
  • 推流日志 到另一个组件(机载计算机)。
  • 在 RAM/FLASH 中储存任务。

# 解锁和加锁

机体是有可移动的部件的,其中一些在通电后会有潜在的危险性(特别是电机和螺旋桨)!

为了减少事故概率:

  • 当不在使用时, PX4 机体是 加锁状态的(未供电的),必须在起飞前进行 解锁
  • 一些机体还需要长按 安全开关 后才能解锁成功。
  • 机体如果不是在“健康”状态,则会解锁不通过。
  • Arming is prevented if a VTOL vehicle is in fixed-wing mode (by default).
  • 机体也会在着陆后或者飞手长时间未执行起飞时,自动切回到加锁状态。

解锁默认情况下(美国手发射机)可以通过保持遥控油门+ YAW 摇杆到右下角一秒钟来解锁,要想加锁,则保持摇杆在左下角。 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解锁命令)。

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

# 飞行模式

飞行模式为用户(飞行员)提供不同类型/级别的飞行器自动化和自动驾驶辅助。 自主模式完全由自驾仪控制,无需飞行员/遥控输入。 例如,它们用于自动执行诸如起飞,返回原位和着陆等常见任务。 其他自主模式执行预编程任务,跟随 GPS 信标,或接受来自机载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)在自驾仪的帮助下实现控制。 不同的手动模式可以实现不同的飞行特性- 例如,某些模式可以实现特技动作,然而其他模式则无法翻转或抵抗风以保持位置/航向。

Tip并非所有的飞行模式都适用于所有飞行器,并且某些模式只能在满足特定条件时使用(例如,许多模式需要全局位置估计)。

可用飞行模式的概述可在 这里找到。 飞行模式配置 中提供了有关如何设置遥控开关以打开不同飞行模式的说明。

# 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飞行器! 这些允许您指定可以安全飞行的区域和条件,以及触发故障保护时将执行的操作(例如,着陆,保持位置或返回指定点)。

Note您只能为 第一个 故障保护事件指定操作。 一旦发生故障保护,系统将执行特殊处理代码,以便后续故障保护触发器由单独的系统层级和飞行器特定代码管理。

主要的故障保护事件如下:

  • 低电量
  • 遥控(RC) 信号丢失
  • 位置信息丢失(全局位置估计质量太低)
  • 机载计算机控制指令丢失(如与机载计算机失去连接)
  • 数传信号丢失(如失去与 GCS 的遥测连接)
  • 超出地理围栏 (限制飞行器在虚拟圆柱体内飞行)。
  • 任务故障保护(防止先前的任务在新的起飞地点运行)。
  • 交通避障(由来自如 ADS-B 转发器的数据触发)。

有关详细信息,请参阅:安全(基本配置)。

# 航向和运动方向

所有车辆,船只和飞机都具有航向(机头朝向)或基于其前进运动的方向。

机架航向

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

知道设备航向,以使自驾仪与设备运动矢量对齐是重要的。 即使多旋翼从各个方向都对称,但其也有航向。 通常制造商使用彩色螺旋桨或带颜色的机臂来表示航向。

机架航向 TOP

在我们的插图中,我们将使用红色的前螺旋桨来显示多旋翼的航向。

您可以在 飞行控制器方向 中深入了解航向。