Offboard 模式

飞行器根据飞行控制栈外部（如机载计算机）提供的设定值控制位置、速度、加速度、姿态以及推力/力矩。 设置值可以经由 MAVLink 提供(也可以是一个类似 MAVSDK (opens new window)的MAVLink API)或者经由 ROS 2 提供。

PX4要求外部控制器提供2Hz连续的“有效存在”信号，该信号可由任意支持的 MAVLink 设置点消息或ROS 2 OffboardControlMode 消息提供。 PX4只有在收到该种信号超过1秒后才有效，如果该种信号停止飞行控制栈将重新获得控制权（脱离Offboard模式）。

注解

• 此模式需要位置或位/姿信息 - 例如 GPS、光流、视觉惯性里程计、mocap 等。
• RC control is disabled except to change modes (you can also fly without any manual controller at all by setting the parameter COM_RC_IN_MODE to 4: Stick input disabled).
• 飞行器必须已经收到一条 MAVLink 设置点消息或 ROS 2 OffboardControlMode 消息，才允许在Offboard模式下解锁或者在飞行中切换至Offboard模式。
• 如果没有以 > 2Hz 的速度收到MAVLink 设置点消息或 OffboardControlMode ，飞行器将退出Offboard模式。
• 并非所有 MAVLink 支持的坐标系和字段值都被设定值消息和飞行器支持。 请仔细阅读以下章节，确保仅使用支持的值。 :::

描述

Offboard模式通过设置位置、速度、加速、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 ROS 2 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。

当使用 ROS 2 时，外部控制器运行正常通过监测 OffboardControlMode 消息流确保，真实设定点由发布任一包含设定值的uORB消息提供，例如 TrajectorySetpoint。 在这种情况下保持当前位置，飞行器必须收到连续的 OffboardControlMode 消息，但只需要收到 TrajectorySetpoint 消息一次。

请注意，Offboard模式只支持非常有限的 MAVLink 命令和消息。 其他操作如起飞、降落、返航，最好使用适当的模式来处理。 像上传、下载任务这样的操作可以在任何模式下执行。

ROS 2 消息

下面的 ROS 2 消息及其特定字段和字段值在特定的帧下是允许的。 除了提供心跳功能外， OffboardControlMode 还有另外两个主要目的：

1. 控制Offboard设定值在 PX4 控制架构 中的哪个等级上被注入执行，并禁止绕过控制器。
2. 确定需要哪种有效地估计(位置或速度)，以及应该使用哪种设定值消息。

OffboardControlmode 消息定义如下所示。

# Off-board control mode

uint64 timestamp        # time since system start (microseconds)

bool position
bool velocity
bool acceleration
bool attitude
bool body_rate
bool actuator

消息中的字段按优先级排序， 位置 优于 速度 及以后的字段。 速度 优于 加速度，等等。 第一个非零字段(从上到下)定义了Offboard模式所需的有效估计以及可以使用的 设定值消息。 例如，如果 加速 字段是第一个非零字段，PX4 就需要一个有效的 速度估计, 并且设定值必须使用 TrajectorySetpoint 消息指定。

期望控制对象	位置	速度	加速度	姿态	体轴角速率	执行器字段	所需状态估计	所需消息
位置 (NED)	✓	-	-	-	-	-	位置	TrajectorySetpoint
速度 (NED)	✗	✓	-	-	-	-	速度	TrajectorySetpoint
加速度（NED）	✗	✗	✓	-	-	-	速度	TrajectorySetpoint
姿态(FRD)	✗	✗	✗	✓	-	-	无	VehicleAttitudeSetpoint
体轴角速率 (FRD)	✗	✗	✗	✗	✓	-	无	VehicleRatesSetpoint
推力和力矩(FRD)	✗	✗	✗	✗	✗	✓	无	VehicleThrustSetpoint 和 VehicleTorqueSetpoint

✓ 代表该位设置为有效， ✗ 代表该位未设置， - 表示该位状态无关紧要。

注解

在使用 ROS 2 的Offboard模式之前, 请花几分钟时间了解PX4和ROS2使用的不同 坐标系。 :::

旋翼机

• px4_msgs::msg::TrajectorySetpoint (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • 位置设定值(position 不为 NaN)。 非-NaN 速度和加速度被用作内环控制律的前馈项。
    • 速度设定值(velocity 不为 NaN 同时 position 为 NaN). 非-NaN 加速度被用作内环控制律的前馈项。
    • 加速度设定值(acceleration 不为 NaN 同时 position 和 velocity 为 NaN)。
  • 所有值都是基于NED(北, 东, 地)坐标系，位置、速度和加速的单位分别为[m], [m/s] 和[m/s^2] 。

• px4_msgs::msg::VehicleAttitudeSetpoint (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • 姿态四元数 q_d + 推力设定值 thrust_body。 非-NaN 值的 yaw_sp_move_rate 被用作大地坐标系下的偏航角前馈使用，单位为[rad/s]。
  • 姿态四元数表示无人机体轴FRD(前、右、下)坐标系与NED坐标系之间的旋转。 推力表示在无人机体轴FRD坐标系下的推力，并归一化为 [-1, 1] 。

• px4_msgs::msg::VehicleRatesSetpoint (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • roll, pitch, yaw and thrust_body.
  • 所有值都在无人机体轴FRD坐标系下表示。 角速率(roll, pitch, yaw)单位为[rad/s] ，thrust_body归一化为 [-1, 1]。

• px4_msgs::msg::VehicleThrustSetpoint (opens new window) + px4_msgs::msg::VehicleTorqueSetpoint (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • xyz 用于推力和 xyz 用于力矩。
  • 所有值都在无人机体轴 FRD 坐标系中表示，并且归一化为[-1, 1]。
  • 为了节省资源，此模式默认被禁用。 如果你想使用它，需要手动添加 vehicle_thrust_setpoint 和 vicle_torque_setpoint 到 订阅主题中并手动重新编译固件。

MAVLink 消息

下面的 MAVLink 消息及其特定字段和字段值在特定的帧下是允许的。

直升机/垂直起降

• SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • 位置设置值 （仅 x，y，z）
    • 速度设定值（仅vx，yy，vz）
    • 加速度设定值（仅 afx，afy，afz）
    • 位置设定值和速度设定值（速度设定值和加速度设定值被作为前馈使用；被叠加到位置控制器的输出上，结果作为速度控制器的输入使用）。
    • 位置设定值和速度设定值以及加速度（速度和加速度设定值用作前馈；速度设定值叠加至位置控制器输出，并将结果作为速度控制器的输入；加速度设定值被叠加至速度控制器的输出中，输出结果用于计算推力矢量）。
  • PX4 支持以下 坐标系 值（仅限）： MAV_FRAME_LOCAL_NED (opens new window) 和 MAV_FRAME_BODY_NED (opens new window)。

• SET_POSITION_TARGET_GLOBAL_INT (opens new window)

  • 支持以下输入组合：

    • 位置设定值（仅lat_int，lon_int，alt）

    • 速度设定值（仅vx，vy，vz）

    • 推力设定值（仅afx，afy，afz）

      注解

  加速度设定值被用来生成归一化的推力设定值（即不支持加速度设定值）。

* 位置设定值**和**速度设定值（速度设定值被作为前馈使用；被叠加到位置控制器的输出上，结果作为速度控制器的输入使用）。

• PX4 支持以下 coordinate_frame 值(仅限)： MAV_FRAME_GLOBAL (opens new window)。

• SET_ATTITUDE_TARGET (opens new window)
  • 支持以下输入组合：
    • 带有推力设定值（SET_ATTITUDE_TARGET.thrust）的姿态和方向（SET_ATTITUDE_TARGET.q）。
    • 带有推力设定值（SET_ATTITUDE_TARGET.thrust）的机身速率（SET_ATTITUDE_TARGET .body_roll_rate ，.body_pitch_rate，.body_yaw_rate）。

Fixed-wing

• SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED (opens new window)

  • 支持以下输入组合（通过 type_mask）：
    • 位置设定值（仅x，y，z；速度和加速度设定值被忽略）。

      • 在type_mask中指定设定值的type（如果未设置这些位，无人机将以花朵状飞行(flower-like pattern)）： :::note 下面的某些设置点类型值不是 MAVLink type_mask字段标准的部分。 :::

        值为：

        • 292：滑动设定值。 这会将 TECS 配置为空速优先于高度，以便在没有推力时使无人机滑行（即控制俯仰以调节空速）。 这相当于设置 type_mask 为 POSITION_TARGET_TYPEMASK_Z_IGNORE，POSITION_TARGET_TYPEMASK_VZ_IGNORE，POSITION_TARGET_TYPEMASK_AZ_IGNORE。
        • 4096：起飞设定值。
        • 8192：降落设定值。
        • 12288：悬停设定值（以设定值为中心绕圈飞行）。
        • 16384：空闲设定值（油门为0， 横滚 / 俯仰为0）。
  • PX4 支持坐标系指定 (coordinate_frame 字段): MAV_FRAME_LOCAL_NED (opens new window) 和 MAV_FRAME_BODY_NED (opens new window)。

• SET_POSITION_TARGET_GLOBAL_INT (opens new window)

  • 支持以下输入组合（通过 type_mask）：
    • 位置设定值（仅lat_int，lon_int，alt）
      • 在type_mask中指定设定值的type（如果未设置这些位，无人机将以花朵状飞行(flower-like pattern)）：

注解

下面的某些设置点类型值不是 MAVLink type_mask字段标准的部分。 :::

    值为：
    - 4096：起飞设定值。
    - 8192：降落设定值。
    - 12288：悬停设定值（以设定值为中心绕圈飞行）。
    - 16384：空闲设定值（油门为0， 横滚 / 俯仰为0）。

• PX4 支持以下 coordinate_frame 值(仅限)： MAV_FRAME_GLOBAL (opens new window)。

• SET_ATTITUDE_TARGET (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • 带有推力设定值（SET_ATTITUDE_TARGET.thrust）的姿态和方向（SET_ATTITUDE_TARGET.q）。
    • 带有推力设定值（SET_ATTITUDE_TARGET.thrust）的机身速率（SET_ATTITUDE_TARGET .body_roll_rate ，.body_pitch_rate，.body_yaw_rate）。

无人车

• SET_POSITION_TARGET_LOCAL_NED (opens new window)
  • 支持以下输入组合(在 type_mask 中)：
    • 位置设置值 （仅 x，y，z）
      • 在 type_mask 中指定 type 的设置值类型：

注解

下面的某些设置值类型不是 MAVLink type_mask字段标准的部分。 ::

    值为：

    - 12288：悬停设定值（无人机足够接近设定值时会停止）。
* 速度设定值（仅`vx`，`vy`，`vz`）

• PX4 支持坐标系指定 (coordinate_frame 字段): MAV_FRAME_LOCAL_NED (opens new window) 和 MAV_FRAME_BODY_NED (opens new window)。

• SET_POSITION_TARGET_GLOBAL_INT (opens new window)

  • 支持以下输入组合(在 type_mask 中)：
    • 位置设定值（仅lat_int，lon_int，alt）
  • 在 type_mask 中指定设定值的 type （不是 MAVLink 标准的一部分）。 值为：
    • 下面的比特位没有置位，是正常表现。
    • 12288：悬停设定值（无人机足够接近设定值时会停止）。
  • PX4 支持坐标系（corrdinate_frame字段）：MAV_FRAME_GLOBAL (opens new window)。

• SET_ATTITUDE_TARGET (opens new window)

  • 支持以下输入组合：
    • 带有推力设定值（SET_ATTITUDE_TARGET.thrust）的姿态和方向（SET_ATTITUDE_TARGET.q）。 :::note 实际仅使用/提取了偏航设置。

Offboard参数

Offboard 模式 受以下参数影响：

参数	描述
COM_OF_LOSS_T	Offboard 连接超时时间（以秒为单位），超过该时间未检测到offboard连接后将触发 offboard 连接丢失的失效保护措施 ( COM_OBL_RC_ACT)
COM_OBL_RC_ACT	Flight mode to switch to if offboard control is lost (Values are - 0: Position, 1: Altitude, 2: Manual, 3: *Return, 4: Land).
COM_RC_OVERRIDE	Controls whether stick movement on a multicopter (or VTOL in MC mode) causes a mode change to Position mode. 默认情况下未启用此功能。
COM_RC_STICK_OV	The amount of stick movement that causes a transition to Position mode (if COM_RC_OVERRIDE is enabled).
COM_RCL_EXCEPT	该参数指定一种模式，在该模式下将忽略RC丢失及不会触发RC丢失的失效保护动作。 将位 2 置1将在Offboard模式下忽略RC丢失。

开发者资源

通常，开发人员不直接在 MAVLink 层工作，而是使用机器人 API，例如 MAVSDK (opens new window) 或 ROS (opens new window)（它们提供了开发人员友好的 API，并负责管理和维护连接，发送消息和监视响应 - Offboard 模式 和 MAVLink 的细节）。

以下资源可能对开发者有用：

• Linux 的Offboard控制模式
• ROS/MAVROS Offboard例程(C++)
• ROS/MAVROS Offboard例程(Python)