APM 仿真遙控指南

地面站開發了一段時間了，由于沒有硬件，所以一直在 APM 模擬器中驗證。我們已經實現了 MAVLink 消息接收和解析，顯示無人機狀態，給無人機發送消息，實現一鍵起飛，飛往指定地點，降落，返航等功能，本期我們來看看如何在模擬器中實現對無人機的遙控。

【注意】

  1. 本期所說的遙控無人機都是指遙控無人機模擬器，不涉及硬件在環。
  2. 前方有墜機風險，請謹慎駕駛。

遙控的基本知識

遙控分為發送端和接收端，發送端自然是遙控器，接收方自然就是無人機。遙控信號一般是一系列數值，通過無線電傳輸。每個數值被稱為一個通道(channel)，所以在無人機中，遙控信號一般也稱為 Radio Channel，簡稱 RC。通道個數以及每個通道的作用取決于軟件實現，比如 APM 共有18個通道。

無人機收到 RC 控制信號后，會通過飛控將其轉換為 PWM 信號，然后輸出給電調來控制電機轉速。飛控就是飛行控制模塊，是一個集成了多種傳感器的嵌入式系統，配有飛控固件，可以通過地面站設置固件參數，簡化了無人機的開發流程。

RC 信號可以理解為一個整數數組，其中有些來自搖桿，有些來自按鈕，通過遙控器發送給無人機。當然，除了遙控，地面站也能發送這個數組來模擬遙控控制，所以 RC 信號的來源是可以不唯一的。此外，遙控和地面站是不同的東西，雖然在物理上可以把它們封裝在一個盒子里。因為我用的是 AMP 模擬器，所以本期所講的內容也都是基于 APM 飛控平臺。

通過mavproxy遙控無人機

由于沒有無人機硬件，我首先想到的是能不能通過 mavproxy 來模擬遙控控制。mavproxy 的確提供了 rc 命令來手動控制無人機，但是官網上這部分資料不夠詳細，對新手不太友好。簡單來說就是我們可以通過 rc <channel> <value> 命令來修改某個 RC 通道的值，APM 共有 18 個通道，每個通道的范圍都是 0~65535 (2字節無符號整數)，有效范圍是 1000~2000，對于搖桿，1500 表示中立位置，而 0 和 65536 具有特殊含義。

  • 0 表示將該通道的值釋放回遙控器。什么意思呢？也就是采用遙控器上對應通道的值，或者說將該通道的控制權交還給遙控器，為什么呢？因為 RC 輸入的來源可以不止是遙控器。
  • 65535 表示忽略該通道的值，通過地面站模擬遙控時，如果不想修改某些通道的值，就可以將這些通道的值都設置為 65535。

在 mavproxy 的控制臺，我們可以通過以下命令來查看各個通道的最小值，最大值和中立值，其中 x 是通道編號，取值為 1，2，3…等。

  • param fetch RCx_MIN ：最小值。
  • param fetch RCx_MAX ：最大值。
  • param fetch RCx_TRIM ：中立值。

對于我現在的需求，用不到所有的通道，主要用到的是前4個通道，分別控制無人機的姿態和油門。至于為什么俯仰和偏航不是連著的，我也表示很好奇。

通道值含義
RC11000~2000滾轉(roll)
RC21000~2000俯仰(pitch)
RC31000~2000油門(throttle)
RC41000~2000偏航(yaw)

首先我們還是通過一鍵起飛的方式讓無人機先飛起來，用 mavproxy 命令行或者 QGC 都可以。一鍵起飛之后，無人機會處于 guided 模式，這個模式下無人機會飛往地圖上點擊的位置或者指定的某個經緯度。 guided 模式不支持手動控制，手動模式是 manual ，在 APM 中，它等價于 stabilize 模式，也就是模擬器啟動時的默認模式。

不過在使用 mode 切換模式之前，我們需要先使用 rc 3 1500 命令將油門置于中立位置。因為 APM 模擬器啟動時，油門默認是處于最低位置的，也就是1000。如果此時直接切換到手動模式，無人機就會因失去動力而墜機，再現經典的“黑鷹墜落”。

Mayday, Mayday! Black Hawk is going down!

現在我們可以使用 mode stabilize 切換到手動模式了。然后我們可以通過 rc 3 1600 讓無人機上升， rc 3 1400 下降，或者通過 rc 1 1800 轉向。RC1 到 RC4 你可以都試試，如果你還開著 QGroundControl 地面站，可以通過姿態儀和指南針查看無人機狀態，因為 mavproxy 的地圖沒有姿態儀和指南針，所以 QGC 上會看得比較直觀。唯一需要注意的就是，小心墜機！

mode guided
arm throttle
takeoff 40rc 3 1500
mode stabilizerc 3 1600
rc 1 1800
... ...

我們已經學會了手動控制無人機飛行，那么能否直接手動起飛呢？

答案是肯定的。因為 APM 模擬器啟動時默認就出于 stabilize 模式，因此我們可以直接解鎖，然后轟油門起飛。

arm throttle
rc 3 1600

throttle 就是油門的意思， arm 是武裝的意思， arm throttle 就是解鎖油門。注意在無人機領域，系統狀態不是用”已上鎖“和”未上鎖“來描述，而是用”武裝“和”解除武裝“來描述。”鎖“表示安全，”武裝“表示危險，因此他們對狀態的表述是相反的，“武裝”的含義是解鎖，“解除武裝”是上鎖。

但是在實操上有個需要注意的點，那就是解鎖后需要馬上轟油門才能成功起飛，否則無人機會重新上鎖，導致起飛失敗。這個間隔時間很短，這可能跟我調快了仿真速度有關。這其實是因為無人機的自動鎖定機制，當無人機落地，電機停轉之后，會自動解除武裝，是無人機的一種安全保護機制。

如果來不及輸入命令，我們還可以先將油門設置為 1500，然后使用 arm throttle force 強制解鎖。

rc 3 1500
arm throttle force
rc 3 1600

如果不強制解鎖，而是使用 arm throttle ，模擬器就會報錯 Arm: Throttle (RC3) is not neutral ，意思是油門處于不正常位置，這也是出于對無人機的保護，防止彈射起步。如果在連續的操作過程中導致油門沒有處于最低位，在一鍵起飛的時候也會看到這個報錯，只需要用 rc 3 1000 將油門置于最低位即可。有時候報的錯可能不是 RC3，而是其他通道，也是通過 rc 命令將其設置到中立位置(1500)即可。曾經在網上看到過某些無人機在起飛之前要先將油門擋桿扒到最左，其實也是這個原因。

如果想查看 RC 輸入和電機輸出，可以點擊 mavproxy 圖形命令窗口(Console)菜單欄的 Tools 菜單。

在這里插入圖片描述

然后在彈出菜單中選擇 RC Inputs 或 Servo Outputs 就能看到每個 RC 通道的值和電機輸出了。

在這里插入圖片描述

上圖左邊就是初始時各 RC 通道的值。

通過代碼遙控無人機

知道如何手動控制無人機之后，我們還要知道是怎么實現的。我想知道 rc 命令是如何發送給無人機的呢？首先想到的是抓包，如果我們觀察 mavproxy 的啟動命令，會發現它設置了三個通信地址：

  • --sitl 127.0.0.1:5501
  • --master tcp:127.0.0.1:5760
  • --out 127.0.0.1:14550

14550 我們已經很熟悉了，這是 mavproxy 轉發 mavlink 消息的地址，也是其他地面站連接的地址。 5760 是與模擬器通信的地址， 5501 是與仿真環境通信的地址，也是 UDP 協議。

為了弄清 rc 命令背后的原理，我對 5501 和 5760 兩個端口進行了抓包，結果顯示 rc 命令是通過 5501 端口發送出去的。但問題是發送的數據并不是 mavlink 格式，而是下面這么一串數據。

在這里插入圖片描述

為了一探究竟，也只好去看看 mavproxy 的源碼了。 rc 命令的源碼在 MAVProxy/modules/mavproxy_rc.py 文件中，我們找到 cmd_cr 這個函數。

def cmd_rc(self, args):'''handle RC value override'''if len(args) > 0 and args[0] == 'set':self.rc_settings.command(args[1:])returnif len(args) == 1 and args[0] == 'clear':channels = self.overridefor i in range(self.count):channels[i] = 0self.set_override(channels)returnif len(args) == 1 and args[0] == "status":self.cmd_rc_status()returnif len(args) == 1 and args[0] == "guiin":if not mp_util.has_wxpython:print("No wxpython detected. Cannot show GUI")elif sys.version_info >= (3, 10) and sys.modules['wx'].__version__ < '4.2.1':print("wxpython needs to be >=4.2.1 on Python >=3.10. Cannot show GUI")elif not self.rcin_gui:from MAVProxy.modules.lib import wxrcself.rcin_gui = wxrc.RCStatus(panelType=wxrc.PanelType.RC_IN)returnif len(args) == 1 and args[0] == "guiout":if not mp_util.has_wxpython:print("No wxpython detected. Cannot show GUI")elif sys.version_info >= (3, 10) and sys.modules['wx'].__version__ < '4.2.1':print("wxpython needs to be >=4.2.1 on Python >=3.10. Cannot show GUI")elif not self.servoout_gui:from MAVProxy.modules.lib import wxrcself.servoout_gui = wxrc.RCStatus(panelType=wxrc.PanelType.SERVO_OUT)returnif len(args) != 2:print("Usage: rc <set|channel|all|clear|status|guiin|guiout> <pwmvalue>")returnvalue = int(args[1])if value > 65535 or value < -1:raise ValueError("PWM value must be a positive integer between 0 and 65535")if value == -1:value = 65535channels = self.overrideif args[0] == 'all':for i in range(self.count):channels[i] = valueelse:channel = int(args[0])if channel < 1 or channel > self.count:print("Channel must be between 1 and %u or 'all'" % self.count)returnchannels[channel - 1] = valueself.set_override(channels)

從這個函數中，能看到 rc 命令有很多子命令， channel 就是我們上一節提到的用法， all 可以用來設置所有通道的值。 rc status 可以打印出每個通道的值，但是注意它不是打印的真實通道值，而是本地的副本，默認都是0，如果通道沒有修改過，那么打印出來就會是0。而 rc guiin 和 rc guiout 對應的其實就是上一節中 Tools 菜單下的 RC Inputs 和 Servo Outputs 兩個子菜單，用這兩個命令也能彈出對應的窗口。

回到函數的后半段，函數將命令中設置的 value 首先記錄到本地 channels 副本，然后調用了 set_override 函數設置通道值，該函數定義如下。

def set_override(self, newchannels):'''this is a public method for use by drone API or other scripting'''self.override = newchannelsself.override_counter = 10self.send_rc()def send_rc(self):'''send RC override packet'''if self.sitl_output:chan16 = self.override[:16]buf = struct.pack('<HHHHHHHHHHHHHHHH', *chan16)self.sitl_output.write(buf)else:chan18 = self.override[:18]self.master.mav.rc_channels_override_send(self.target_system,self.target_component,*chan18)

set_override 最終調用了 send_rc 函數，而在 send_rc 函數中，將 channels 發送了出去。因為我們啟動 mavproxy 時設置了 sitl 參數，所以這里會進入 if 分支，也就是將 RC 通道的值發送到了 5501 端口。而且這里對數據的序列化方式也是直接使用了 struct.pack ， '<HHHHHHHHHHHHHHHH' 是序列化方式， < 表示采用小端序，每個 H 表示兩個字節，也就是 chan16 數組里每個整數用兩字節表示，所以我們抓包時抓到 32 字節也就不足為奇了，將它們按每兩個字節拆開如下。

dc05 dc05 dd05 dc05 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

0x05dc 剛好就是十進制的 1500 ，第三個 0x05dd，而我測試用的命令正是 rc 3 1501 。

下一步我們需要在地面站中通過 mavlink 協議發送遙控信號實現手動控制無人機，這里有兩個消息比較重要。一是 RC_CHANNELS (65) ，他是 無人機向地面站發送的當前 RC 通道值。二是 RC_CHANNELS_OVERRIDE (70) ，它是地面站發送給無人機的 RC 控制消息。

一是 RC_CHANNELS (65) ，他是 無人機向地面站發送的當前 RC 通道值。

二是 RC_CHANNELS_OVERRIDE (70) ，它是地面站發送給無人機的 RC 控制消息。要實現手動控制無人機，發送這個消息就行了。

這里給出兩篇官方參考文章：

  • RC Input (aka Pilot Input) — Dev documentation
  • https://mavlink.io/zh/messages/common.html#RC_CHANNELS

看吧，一點都不難。

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