# 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。

提示

不同类型的无人机可用于空中、地面、海上和水下。 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 载具控制器(“飞行控制器”)硬件和运行其上的 飞行栈 软件组成。

# PX4 自动驾驶仪

PX4 (opens new window) is powerful open source autopilot flight stack.

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PX4 加载(烧写)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 Main Screen

# 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︰

# 输出:电机,舵机,执行器

PX4使用输出来控制:电机速度(例如通过ESC),飞行平面如副翼和襟翼,相机触发器,降落伞,抓手,和许多其他类型的有效载荷。

例如,下面的图像显示 Pixhawk 4Pixhawk 4 mini 的 PWM 输出端口。

Pixhawk 4 output ports Pixhawk4 mini MAIN ports

输出分为 MAINAUX,并单独编号(MAINnAUXn, n 通常是从1到6或8)。

提示

每个输出的特定目的是在每个机身的基础上硬编码的。 所有机架的输出映射都在 机架参考 中。

注意

飞行控制器可能只有MAIN 输出, (比如 Pixhawk 4 Mini),也可能只有6个MAINAUX输出。 确保您选择的控制器有足够的端口/输出接口适应您的机身

通常情况下, MAIN 端口用于核心飞行控制。 AUX 用于非关键执行器/载荷(但是,比如VTOL机型,如果 MAIN没有足够的接口, AUX也可能用来做飞行控制)。 例如, 通用四旋翼MAIN 输出的 1-4 来控制电机,其余的 MAINAUX 输出可以用来做 RC 透传。

飞行控制器 上的实际输出端口/总线取决于硬件和 PX4 配置。 通常 端口像如上所示的被映射为PWM输出,丝印一般为 MAIN OUT and AUX OUT

它们也可能被标记为 FMU PWM OUTIO PWM Out (或类似)。 Pixhawk 控制器又一个 "主" FMU 和可能存在的 独立的 IO 板。 如果有IO 板, AUX 端口直接连接到 FMU 和 MIAN 端口连接到IO板。 否则, MAIN 端口已连接到FMU,没有 AUX 端口。 FMU输出端口可以使用 D-shotOne-shot 协议 (当然也有 PWM), 它们的延迟低很多。 这对于需要更好性能的穿越机和其他机体来说是有用的。

输出端口也可以映射到 UAVCAN节点 (例如,UAVCAN 电机控制器)。 在这种情况下使用(相同的)输出到节点的机架映射。

备注:

  • MAINAUX 中仅有6-8个输出,因为大多数飞行控制器只有这么多的 PWM/Dshot/Oneshot 输出。 理论上来说,如果总线支持,可以有更多的输出(比如UAVCAN就不限于这几个节点)。

# 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。

PX4 在自主飞行模式中不需要遥控系统。

Taranis X9D Transmitter

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QGroundControl连接的游戏手柄也可以用来手动控制PX4 (QGC将操纵杆的运动转换为通过遥测链路发送的MAVLink消息)。 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 Auterion Skynav (opens new window) or UAVComponents MicroNav (opens new window)。 游戏手柄也经常被用于无人机的飞行仿真中。

Photo of MicroNav, a ground controller with integrated joysticks

# 安全开关

It is common for vehicles to have a safety switch that must be engaged before the vehicle can be armed (when armed, motors are powered and propellers can turn). Commonly the safety switch is integrated into a GPS unit, but it may also be a separate physical component.

注意

A vehicle that is armed is potentially dangerous. The safety switch is an additional mechanism that prevents arming from happening by accident.

# 数传电台

Data/Telemetry Radios can provide a wireless MAVLink connection between a ground control station like QGroundControl and a vehicle running PX4. This makes it possible to tune parameters while a vehicle is in flight, inspect telemetry in real-time, change a mission on the fly, etc.

# 机载计算机

PX4 can be controlled from a separate on-vehicle companion computer via a serial cable or wifi. The companion computer will usually communicate using a MAVLink API like the MAVSDK or MAVROS.

Relevent topics include:

# SD卡(可移除储存器)

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).

提示

The maximum supported SD card size on Pixhawk boards is 32GB. The SanDisk Extreme U3 32GB is highly recommended.

SD cards are never-the-less optional. Flight controllers that do not include an SD Card slot may:

  • 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

Vehicles may have moving parts, some of which are potentially dangerous when powered (in particular motors and propellers)!

To reduce the chance of accidents:

  • 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
  • A vehicle will automatically disarm if a pilot does not take off quickly enough, and after landing (the disarm time is configurable).
  • Some vehicles also have a safety switch that must be disengaged before arming can succeed (often this switch is part of the GPS).
  • Arming is prevented if the vehicle is not in a "healthy" state.
  • Arming is prevented if a VTOL vehicle is in fixed-wing mode (by default).

Arming is triggered by default (Mode 2 transmitters) by holding the RC throttle/yaw stick on the bottom right for one second (to disarm, hold stick on bottom left). It is alternatively possible to configure PX4 to arm using an RC switch or button (and arming MAVLink commands can also be sent from a ground station).

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

# 飞行模式

Flight modes provide different types/levels of vehicle automation and autopilot assistance to the user (pilot). Autonomous modes are fully controlled by the autopilot, and require no pilot/remote control input. These are used, for example, to automate common tasks like takeoff, returning to the home position, and landing. Other autonomous modes execute pre-programmed missions, follow a GPS beacon, or accept commands from an offboard computer or ground station.

Manual modes are controlled by the user (via the RC control sticks/joystick) with assistance from the autopilot. Different manual modes enable different flight characteristics - for example, some modes enable acrobatic tricks, while others are impossible to flip and will hold position/course against wind.

提示

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).

An overview of the available flight modes can be found here. Instructions for how to set up your remote control switches to turn on different flight modes is provided in Flight Mode Configuration.

# 安全设置(故障保护)

PX4 has configurable failsafe systems to protect and recover your vehicle if something goes wrong! These allow you to specify areas and conditions under which you can safely fly, and the action that will be performed if a failsafe is triggered (for example, landing, holding position, or returning to a specified point).

注解

You can only specify the action for the first failsafe event. Once a failsafe occurs the system will enter special handling code, such that subsequent failsafe triggers are managed by separate system level and vehicle specific code.

The main failsafe areas are listed below:

  • 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)。

For more information see: Safety (Basic Configuration).

# 航向和运动方向

All the vehicles, boats and aircraft have a heading direction or an orientation based on their forward motion.

Frame Heading

注解

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

It is important to know the vehicle heading direction in order to align the autopilot with the vehicle vector of movement. Multicopters have a heading even when they are symmetrical from all sides! Usually manufacturers use a colored props or colored arms to indicate the heading.

Frame Heading TOP

In our illustrations we will use red coloring for the front propellers of multicopter to show heading.

You can read in depth about heading in Flight Controller Orientation