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PX4模块设计之九：PX4飞行模式简介

2023-05-16

PX4模块设计之九：PX4飞行模式简介

  • 关于模式的探讨
  • 1. 需求角度
    • 1.1 多旋翼(MC, multi-copter)
      • 1.1.1 RC控制模式
        • 1.1.1.1 Position Mode
        • 1.1.1.2 Altitude Mode
        • 1.1.1.3 Manual/Stabilized Mode
        • 1.1.1.4 Acro Mode (angle rate)
      • 1.1.2 特殊控制模式
        • 1.1.2.1 Orbit Mode
        • 1.1.2.2 Follow Me Mode
        • 1.1.2.3 Mission Mode
        • 1.1.2.4 Offboard Mode
      • 1.1.3 标准动作模式
        • 1.1.3.1 Hold Mode
        • 1.1.3.2 Return Mode
        • 1.1.3.3 Takeoff Mode
        • 1.1.3.4 Land Mode
    • 1.2. 固定翼 (FW, Fixed-wing)
      • 1.2.1 RC控制模式
        • 1.2.1.1 Position Mode
        • 1.2.1.2 Altitude Mode
        • 1.2.1.3 Stabilized Mode (angle)
        • 1.2.1.4 Acro Mode (angle rate)
        • 1.2.1.5 Manual Mode
      • 1.2.2 特殊控制模式
        • 1.2.2.1 Mission Mode
        • 1.2.2.2 Offboard Mode
      • 1.2.3 标准动作模式
        • 1.2.3.1 Hold Mode
        • 1.2.3.2 Return Mode
        • 1.2.3.3 Takeoff Mode
        • 1.2.3.4 Land Mode
    • 1.3. 垂直起降 (VTOL, Vertical Take Off and Landing)
    • 1.4. 车辆/船 (Rover/Boat)
      • 1.4.1 Manual Mode
      • 1.4.2 Mission Mode
  • 2. 设计角度
    • 2.1 手动模式 (Manual flight modes)
      • 2.1.1 多旋翼(MC, multi-copter)
      • 2.1.2 固定翼 (FW, Fixed-wing)
      • 2.1.3 车辆/船 (Rover/Boat)
    • 2.2 辅助模式 (Assisted flight modes)
    • 2.3 自动模式 (Auto flight modes)
    • 2.4 飞行模式设计状态图
  • 3. 参考资料

PX4的飞行模式从官网介绍上看感觉非常多且复杂，那是因为专业。为了方便理解，梳理一下有助于后续研读代码逻辑。

关于模式的探讨

有的时候看上去是这样的东西，而实际也许并不全是。回过头来说，设计的目的就是为了解决实际需求，因此我们这里从两个角度来考虑关于飞行模式的问题。

  • 实际需求的角度：(总体来说，PX4支持几大类航模控制器)
  1. 多旋翼
  2. 固定翼
  3. 垂直起降
  4. 车辆(地面)/船(水面)
  • 设计思路的角度：
  1. 手动控制
  2. 辅助控制
  3. 自动控制

1. 需求角度

1.1 多旋翼(MC, multi-copter)

1.1.1 RC控制模式

1.1.1.1 Position Mode

其主要功能点：

  • 前进/后退
  • 左移/右移
  • 上升/下降
  • 左旋/右旋
  • 支持定高(GPS+/baro+/radar)
  • 支持定点(GPS)

在这里插入图片描述

1.1.1.2 Altitude Mode

其主要功能点：

  • 前进/后退
  • 左移/右移
  • 上升/下降
  • 左旋/右旋
  • 支持定高(baro+/radar)

在这里插入图片描述

1.1.1.3 Manual/Stabilized Mode

其主要功能点：

  • 前进/后退 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角度)
  • 左移/右移 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角度)
  • 上升/下降
  • 左旋/右旋

在这里插入图片描述

1.1.1.4 Acro Mode (angle rate)

其主要功能点：

  • 前倾/后仰 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角速度)
  • 左倾/右倾 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角速度)
  • 加速/减速
  • 左旋/右旋

在这里插入图片描述

1.1.2 特殊控制模式

1.1.2.1 Orbit Mode

其主要功能点：

  • 缩小/扩大Orbit半径
  • 加速/减速
  • 上升/下降
    在这里插入图片描述

1.1.2.2 Follow Me Mode

跟随模式使多翼机自动跟随并跟踪提供其当前位置设定点的用户。位置设定点可能来自运行QGroundControl的Android手机/平板电脑或MAVSDK应用程序。

1.1.2.3 Mission Mode

任务模式使飞行器执行已上传至飞行控制器的预定义自主任务（飞行计划）。任务通常通过地面控制站（GCS）应用程序创建和上传。

1.1.2.4 Offboard Mode

非车载模式使多翼机服从通过MAVLink提供的位置、速度或姿态设定点。

1.1.3 标准动作模式

1.1.3.1 Hold Mode

保持模式使多翼机停止并悬停在其当前位置和高度（在风力和其他力作用下保持位置）。该模式可用于暂停任务或帮助在紧急情况下重新获取控制权。可以使用预先编程的RC开关或QGroundControl暂停按钮激活。

1.1.3.2 Return Mode

该模式可以手动（通过预编程RC开关）或自动（即在触发故障保护的情况下）激活。返回行为取决于参数设置，并可能遵循任务路径和/或任务着陆模式。默认情况下，多旋翼机只需上升到安全高度，飞到原位，然后着陆。

1.1.3.3 Takeoff Mode

起飞模式使多翼机垂直爬升至起飞高度并悬停到位。

1.1.3.4 Land Mode

着陆模式使多翼机降落在模式激活的位置。

1.2. 固定翼 (FW, Fixed-wing)

1.2.1 RC控制模式

1.2.1.1 Position Mode

其主要功能点：

  • 前倾/后仰
  • 左倾/右倾
  • 加速/减速
  • 左旋/右旋
  • 支持定高(GPS+/baro+/radar)
  • 支持直线巡航(GPS)

在这里插入图片描述

1.2.1.2 Altitude Mode

其主要功能点：

  • 前倾/后仰
  • 左倾/右倾
  • 加速/减速
  • 左旋/右旋
  • 支持定高(baro+/radar)

在这里插入图片描述

1.2.1.3 Stabilized Mode (angle)

其主要功能点：

  • 前倾/后仰 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角度)
  • 左倾/右倾 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角度)
  • 加速/减速
  • 左旋/右旋

在这里插入图片描述

1.2.1.4 Acro Mode (angle rate)

其主要功能点：

  • 前倾/后仰 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角速度)
  • 左倾/右倾 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角速度)
  • 加速/减速
  • 左旋/右旋

注：当遥感位置回归中位时，飞行器将停止转动。
在这里插入图片描述

1.2.1.5 Manual Mode

其主要功能点：

  • 前倾/后仰 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角速度)
  • 左倾/右倾 (注：遥感位置代表实际飞行姿态调整角速度)
  • 加速/减速
  • 左旋/右旋

注：当遥感位置回归中位时，飞行器不会停止转动，需要手动增加一个反向力矩来抵消之前的转动力矩，从而停止转动。

在这里插入图片描述

1.2.2 特殊控制模式

1.2.2.1 Mission Mode

任务模式使飞行器执行已上传至飞行控制器的预定义自主任务（飞行计划）。任务通常通过地面控制站（GCS）应用程序创建和上传。

1.2.2.2 Offboard Mode

非车载模式使固定翼飞行器服从通过MAVLink提供的姿态设定点。

1.2.3 标准动作模式

1.2.3.1 Hold Mode

保持固定翼飞行器在其当前高度，开始围绕当前位置旋转。该模式可用于暂停任务或帮助在紧急情况下重新控制车辆。可以使用预先编程的RC开关或QGroundControl暂停按钮激活。

1.2.3.2 Return Mode

该模式可以手动（通过预编程RC开关）或自动（即在触发故障保护的情况下）激活。返回行为取决于参数设置，并可能遵循任务路径和/或任务着陆模式。默认情况下，固定翼飞行器将上升到安全高度，并使用任务着陆模式（如果存在），否则它将飞到初始位置并绕圈

1.2.3.3 Takeoff Mode

起飞模式确保飞行器顺利按步骤起飞。具体的发射行为取决于配置的起飞模式（弹射/手动发射模式或跑道起飞模式）

1.2.3.4 Land Mode

着陆模式使飞行器转向，并在模式激活的位置着陆。

1.3. 垂直起降 (VTOL, Vertical Take Off and Landing)

  • 垂直起降过程处于MC mode， 请参考章节1.
  • 飞行的时候处于FW mode， 请参考章节2.

1.4. 车辆/船 (Rover/Boat)

1.4.1 Manual Mode

当RC控制杆居中时，手动模式停止电机。要移动车辆，需要将杆移出中心。一旦松开控制杆，它们将返回中央死区。这将关闭电机并使车轮/方向舵居中。没有主动制动，因此车辆可能会继续移动，直到其动量消散（对于船来说，继续漂移）。

1.4.2 Mission Mode

任务模式使飞行器执行已上传至飞行控制器的预定义自主任务（飞行计划）。任务通常通过地面控制站（GCS）应用程序创建和上传。

2. 设计角度

2.1 手动模式 (Manual flight modes)

“手动”模式是指用户通过RC控制（或操纵杆）直接控制的模式，响应的级别/类型随模式而变化。

注：该模式下多旋翼、固定翼、车/船的差异比较大。

2.1.1 多旋翼(MC, multi-copter)

  • MANUAL/STABILIZED：用户的输入作为横滚和俯仰角度命令以及横摆率命令传递。油门直接传递到输出混频器。飞控控制姿态，这意味着当RC操纵杆居中时，它将横滚和俯仰角调节为零，从而使姿态变平。然而，在此模式下，飞控的位置不受控，因此位置可能会因风而漂移。
  • ACRO：用户的输入作为横滚、俯仰和横摆率命令传递给飞控。飞控控制角速度，但不控制姿态。油门直接传递到输出混频器。

2.1.2 固定翼 (FW, Fixed-wing)

  • MANUAL：用户控制输入（来自RC发射器的原始输入）直接传递到输出混频器。
  • ACRO：用户输入作为横滚、俯仰和横摆率命令传递给自动驾驶仪。自动驾驶仪控制角速度。油门直接传递到输出混频器。
  • STABILIZED：用户的俯仰和横滚输入作为角度命令传递给自动驾驶仪，而偏航输入则直接通过输出混合器发送到方向舵（手动控制）。如果RC横滚和俯仰杆居中，自动驾驶仪将横滚和俯仰角调节为零，从而稳定（调平）姿态以抵抗任何风干扰。然而，在此模式下，飞机的位置不受自动驾驶仪控制，因此位置可能会因风而漂移。

2.1.3 车辆/船 (Rover/Boat)

  • MANUAL: 用户控制输入（来自RC发射器的原始输入）直接传递到输出混频器。

2.2 辅助模式 (Assisted flight modes)

“辅助”模式也由用户控制，但提供某种程度的“自动”辅助。例如，逆风自动保持位置/方向。辅助模式通常更容易获得或恢复受控飞行。

  • ALTCTL (Altitude Control)：飞控姿态配平后维持海拔高度飞行（可能由于风的影响偏离位置或者航线）。
  • POSCTL (Position Control) ：多旋翼会悬停固定位置，而固定翼会固定高度保持直线航向。

2.3 自动模式 (Auto flight modes)

“自动”模式是指控制器几乎不需要用户输入（例如起飞、着陆和飞行任务）。

  • AUTO_LOITER (Loiter) ：多旋翼是悬停在当前位置；固定翼将会在当前位置绕圈。
  • AUTO_RTL (Return to Launch)：多旋翼飞回Home位置并降落；固定翼飞回Home位置，绕圈等待降落指令。
  • AUTO_MISSION (Mission) ：通常是GCS控制，或者是MAVSDK/MAVROS控制。

2.4 飞行模式设计状态图

在这里插入图片描述

3. 参考资料

【1】 PX4开源软件框架简明简介
【2】PX4飞行模式介绍(User)
【3】PX4飞行模式介绍(Develop)

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