Автономный полет

Эта статья описывает работу с образом версии 0.24, который пока находится в стадии тестирования. Для версии 0.23 доступна более старая документация.

Модуль simple_offboard пакета clover предназначен для упрощенного программирования автономного полета дрона (режим OFFBOARD). Он позволяет устанавливать желаемые полетные задачи и автоматически трансформирует систему координат.

simple_offboard является высокоуровневым способом взаимодействия с полетным контроллером. Для более низкоуровневой работы см. mavros.

Основные сервисы – get_telemetry (получение телеметрии), navigate (полет в заданную точку по прямой), navigate_global (полет в глобальную точку по прямой), land (переход в режим посадки).

Использование из языка Python

Для использования сервисов, необходимо создать объекты-прокси к ним. Используйте этот шаблон для вашей программы:

import rospy
from clover import srv
from std_srvs.srv import Trigger

rospy.init_node('flight')

get_telemetry = rospy.ServiceProxy('get_telemetry', srv.GetTelemetry)
navigate = rospy.ServiceProxy('navigate', srv.Navigate)
navigate_global = rospy.ServiceProxy('navigate_global', srv.NavigateGlobal)
set_altitude = rospy.ServiceProxy('set_altitude', srv.SetAltitude)
set_yaw = rospy.ServiceProxy('set_yaw', srv.SetYaw)
set_yaw_rate = rospy.ServiceProxy('set_yaw_rate', srv.SetYawRate)
set_position = rospy.ServiceProxy('set_position', srv.SetPosition)
set_velocity = rospy.ServiceProxy('set_velocity', srv.SetVelocity)
set_attitude = rospy.ServiceProxy('set_attitude', srv.SetAttitude)
set_rates = rospy.ServiceProxy('set_rates', srv.SetRates)
land = rospy.ServiceProxy('land', Trigger)

Неиспользуемые функции-прокси можно удалить из кода.

Описание API

Незаполненные числовые параметры устанавливаются в значение 0.

get_telemetry

Получить полную телеметрию коптера.

Параметры:

• frame_id – система координат для значений x, y, z, vx, vy, vz. Пример: map, body, aruco_map. Значение по умолчанию: map.

Формат ответа:

• frame_id – система координат;
• connected – есть ли подключение к FCU;
• armed – состояние armed винтов (винты включены, если true);
• mode – текущий полетный режим;
• x, y, z – локальная позиция коптера (м);
• lat, lon – широта, долгота (градусы), необходимо наличие GPS;
• alt – высота в глобальной системе координат (стандарт WGS-84, не AMSL!), необходимо наличие GPS;
• vx, vy, vz – скорость коптера (м/с);
• roll – угол по крену (радианы);
• pitch – угол по тангажу (радианы);
• yaw – угол по рысканью (радианы);
• roll_rate – угловая скорость по крену (рад/с);
• pitch_rate – угловая скорость по тангажу (рад/с);
• yaw_rate – угловая скорость по рысканью (рад/с);
• voltage – общее напряжение аккумулятора (В);
• cell_voltage – напряжение аккумулятора на ячейку (В).

Недоступные по каким-то причинам поля будут содержать в себе значения NaN.

Вывод координат x, y и z коптера в локальной системе координат:

telemetry = get_telemetry()
print(telemetry.x, telemetry.y, telemetry.z)

Вывод высоты коптера относительно карты ArUco-меток:

telemetry = get_telemetry(frame_id='aruco_map')
print(telemetry.z)

Проверка доступности глобальной позиции:

import math
if not math.isnan(get_telemetry().lat):
    print('Global position is available')
else:
    print('No global position')

Вывод текущей телеметрии (командная строка):

rosservice call /get_telemetry "{frame_id: ''}"

navigate

Прилететь в обозначенную точку по прямой.

Параметры:

• x, y, z – координаты (м);
• yaw – угол по рысканью (радианы);
• speed – скорость полета (скорость движения setpoint) (м/с);
• auto_arm – перевести коптер в OFFBOARD и заармить автоматически (коптер взлетит);
• frame_id – система координат, в которой заданы x, y, z и yaw (по умолчанию: map).

Для полета без изменения угла по рысканью достаточно установить yaw в NaN (значение угловой скорости по умолчанию – 0).

Взлет на высоту 1.5 м со скоростью взлета 0.5 м/с:

navigate(x=0, y=0, z=1.5, speed=0.5, frame_id='body', auto_arm=True)

Полет по прямой в точку 5:0 (высота 2) в локальной системе координат со скоростью 0.8 м/с (рысканье установится в 0):

navigate(x=5, y=0, z=3, speed=0.8)

Полет в точку 5:0 без изменения угла по рысканью:

navigate(x=5, y=0, z=3, speed=0.8, yaw=float('nan'))

Полет вправо относительно коптера на 3 м:

navigate(x=0, y=-3, z=0, speed=1, frame_id='body')

Полет влево на 2 м относительно последней целевой точки полета дрона:

navigate(x=0, y=2, z=0, speed=1, frame_id='navigate_target')

Повернуться на 90 градусов по часовой:

navigate(yaw=math.radians(-90), frame_id='body')

Полет в точку 3:2 (высота 2) в системе координат маркерного поля со скоростью 1 м/с:

navigate(x=3, y=2, z=2, speed=1, frame_id='aruco_map')

Взлет на высоту 2 м (командная строка):

rosservice call /navigate "{x: 0.0, y: 0.0, z: 2, yaw: 0.0, speed: 0.5, frame_id: 'body', auto_arm: true}"

При программировании миссии дрона в терминах "вперед-назад-влево-вправо" рекомендуется использовать систему координат navigate_target вместо body, чтобы не учитывать неточность прилета дрона в предыдущую целевую точку при вычислении следующей.

navigate_global

Полет по прямой в точку в глобальной системе координат (широта/долгота).

Параметры:

• lat, lon – широта и долгота (градусы);
• z – высота (м);
• yaw – угол по рысканью (радианы);
• speed – скорость полета (скорость движения setpoint) (м/с);
• auto_arm – перевести коптер в OFFBOARD и заармить автоматически (коптер взлетит);
• frame_id – система координат, в которой заданы z и yaw (по умолчанию: map).

Для полета без изменения угла по рысканью достаточно установить yaw в NaN.

Полет в глобальную точку со скоростью 5 м/с, оставаясь на текущей высоте (yaw установится в 0, коптер сориентируется передом на восток):

navigate_global(lat=55.707033, lon=37.725010, z=0, speed=5, frame_id='body')

Полет в глобальную точку без изменения угла по рысканью:

navigate_global(lat=55.707033, lon=37.725010, z=0, speed=5, yaw=float('nan'), frame_id='body')

Полет в глобальную точку (командная строка):

rosservice call /navigate_global "{lat: 55.707033, lon: 37.725010, z: 0.0, yaw: 0.0, speed: 5.0, frame_id: 'body', auto_arm: false}"

set_altitude

Изменить целевую высоту полета. Сервис используется для независимой установки высоты (и системы координат для расчета высота) в режимах полета navigate и set_position.

Параметры:

• z – высота полета (м);
• frame_id – система координат для расчета высоты полета.

Установить высоту полета в 2 м относительно пола:

set_altitude(z=2, frame_id='terrain')

Установить высоту полета в 1 м относительно маркерного поля:

set_altitude(z=1, frame_id='aruco_map')

set_yaw

Изменить целевой угол по рысканью (и систему координат для его расчета), оставив предыдущую команду в силе.

Параметры:

• yaw – угол по рысканью (радианы);
• frame_id – система координат для расчета угла по рысканью.

Повернуться на 90 градусов по часовой (продолжая выполнять предыдущую команду):

set_yaw(yaw=math.radians(-90), frame_id='body')

Установить угол по рысканью в ноль в системе координат маркерного поля:

set_yaw(yaw=0, frame_id='aruco_map')

Остановить вращение по рысканью (при использовании set_yaw_rate):

set_yaw(yaw=float('nan'))

set_yaw_rate

Изменить целевую угловую скорость по рысканью, оставив предыдущую команду в силе.

Параметры:

• yaw_rate – угловая скорость по рысканью (рад/с).

Положительное направление вращения (при виде сверху) – против часовой.

Начать вращение на месте со скоростью 0.5 рад/c против часовой (продолжая выполнять предыдущую команду):

set_yaw_rate(yaw_rate=0.5)

set_position

Установить цель по позиции и рысканью. Данный сервис следует использовать при необходимости задания продолжающегося потока целевых точек, например, для полета по сложным траекториям (круговой, дугообразной и т. д.).

Для полета на точку по прямой или взлета используйте более высокоуровневый сервис navigate.

Параметры:

• x, y, z – координаты точки (м);
• yaw – угол по рысканью (радианы);
• auto_arm – перевести коптер в OFFBOARD и заармить автоматически (коптер взлетит);
• frame_id – система координат, в которой заданы x, y, z и yaw (по умолчанию: map).

Зависнуть на месте:

set_position(frame_id='body')

Назначить целевую точку на 3 м выше текущей позиции:

set_position(x=0, y=0, z=3, frame_id='body')

Назначить целевую точку на 1 м впереди текущей позиции:

set_position(x=1, y=0, z=0, frame_id='body')

set_velocity

Установить скорости и рысканье.

• vx, vy, vz – требуемая скорость полета (м/с);
• yaw – угол по рысканью (радианы);
• auto_arm – перевести коптер в OFFBOARD и заармить автоматически (коптер взлетит);
• frame_id – система координат, в которой заданы vx, vy, vz и yaw (по умолчанию: map).

Параметр frame_id определяет только ориентацию результирующего вектора скорости, но не его длину.

Полет вперед (относительно коптера) со скоростью 1 м/с:

set_velocity(vx=1, vy=0.0, vz=0, frame_id='body')

set_attitude

Установить тангаж, крен, рысканье и уровень газа (примерный аналог управления в режиме STABILIZED). Данный сервис может быть использован для более низкоуровневого контроля поведения коптера либо для управления коптером при отсутствии источника достоверных данных о его позиции.

Параметры:

• roll, pitch, yaw – необходимый угол по тангажу, крену и рысканью (радианы);
• thrust – уровень газа от 0 (нет газа, пропеллеры остановлены) до 1 (полный газ);
• auto_arm – перевести коптер в OFFBOARD и заармить автоматически (коптер взлетит);
• frame_id – система координат, в которой задан yaw (по умолчанию: map).

set_rates

Установить угловые скорости по тангажу, крену и рысканью и уровень газа (примерный аналог управления в режиме ACRO). Это самый низкий уровень управления коптером (исключая непосредственный контроль оборотов моторов). Данный сервис может быть использован для автоматического выполнения акробатических трюков (например, флипа).

Параметры:

• roll_rate, pitch_rate, yaw_rate – угловая скорость по тангажу, крену и рыканью (рад/с);
• thrust – уровень газа от 0 (нет газа, пропеллеры остановлены) до 1 (полный газ).
• auto_arm – перевести коптер в OFFBOARD и заармить автоматически (коптер взлетит);

Положительное направление вращения yaw_rate (при виде сверху) – против часовой, pitch_rate – вперед, roll_rate – влево.

land

Перевести коптер в режим посадки (AUTO.LAND или аналогичный).

Для автоматического отключения винтов после посадки параметр PX4 COM_DISARM_LAND должен быть установлен в значение > 0.

Посадка коптера:

res = land()

if res.success:
    print('Copter is landing')

Посадка коптера (командная строка):

rosservice call /land "{}"

В более новых версиях PX4 коптер выйдет из режима LAND в ручной режим, если сильно перемещать стики.

release

В случае необходимости приостановки отправки setpoint-сообщений, используйте сервис simple_offboard/release:

release = rospy.ServiceProxy('simple_offboard/release', Trigger)

release()

Дополнительные материалы

• Полеты в поле ArUco-маркеров.
• Примеры программ и сниппеты.