只会Python，怎么用PC控制无人机自动飞行？

PC-SDK是阿木实验室 (AMOVLAB) 为了简化开源飞控的控制协议MAVLink，优化和维护的一个基于PC电脑运行MAVSDK(支持Windows和Ubuntu)的Python SDK库。

相对于传统的无人机控制开发，开发者无需掌握C/C++语言和ROS等相关知识，只要学会Python编程及懂得坐标系原理，在PC电脑上安装Python环境与功能包模块后，就可以地面端链路控制无人机飞行（开发），极大地降低了开发难度。

MAVSDK简介

添加图片注释，不超过 140 字（可选）

MAVSDK是各种编程语言的库集合，用于与无人机、摄像机或地面系统等MAVLink系统进行交互。这些库提供了一个简单的API，用于管理一个或多个车辆，提供对车辆信息和遥测的编程访问，以及对任务，移动和其他操作的控制。这些库可以在配套计算机上的无人机上使用，也可以在地面站或移动设备上使用。

MAVSDK的特点

跨平台

Linux、macOS、Windows、Android 和 iOS等。

多语言

C++、Swift、Python、Java、Go、JavaScript、CSharp、Rust等。

在使用时可以通过串口或者tcp或者udp建立连接然后就可以控制Pixhawk飞控。在此之前可以在Ubuntu下建立Pixhawk的源码然后并创建模拟器，然后在mavsdk控制模拟器里的飞机进行控制。

目前提供了自动起飞降落的Demo，指点飞行的Demo，和航点飞行的Demo。还提供了Ubuntu的仿真开发虚拟机，方便开发者进行算法开发，可以快速入手无人机的开发工作。

提示：初学者在不了解无人机和控制坐标系概念的情况下，不要运行其他demo。建议在了解无人机及其控制坐标系之后，运行我们提供的仿真系统，熟悉无人机的操作特性，再运行其他仿真demo。

无人机控制坐标系基本概念（简介）

无人机中NED坐标理解

机体坐标系：机体坐标系固连飞机，其原点取在多旋翼的重心位置上。x轴在多旋翼对称平面内指向机头（机头方向与多旋+字形或X字形相关）。z轴在飞机对称平面内，垂直轴向下。然后，按右手定则确定y轴。

地球固联坐标系：通常以多旋翼起飞位置作为坐标原点，先让x轴在水平面内指向某一方向，z轴垂直于地面向下。然后，按右手定则确定y轴，坐标原点取地球中心。比如NED坐标系为x轴为正北方向，y轴为正东方向，z轴指向下。

飞机的欧拉角就是基于上面两个坐标系的转换。“pitch+”为抬头，“roll+”为右旋转，“yaw+”为右偏航。

Yaw与指南针角度的关系

指南针的角度为固定不变（北朝向为0度，东朝向为90度，南朝向为180度，西朝向为270度）。

Yaw角是当前机头方向与正北方向的夹角（若地球固联坐标系为NED），当我们知道YAW角时就可以确定飞机当前的航向。比如我们的vision通过mavros给飞控的Yaw的角度是90度，而且飞机的地球固联坐标系为NED，那么我们就可以确定飞机机头当前指向为正东。即使我们没有磁力计测方向，但我们假设了一个方向，那么此时Yaw角与指南针的角度完全重合或相同。

但当Yaw角为90度，机头朝向为正北方向，那么可以确定飞机地球固联坐标系采用的是WND（W为西）。

在PX4中用到的地球固联坐标轴是NED坐标系，即x，y，z的方向固定不变（Offboard模式下除外，但是在offboard模式下，初始上电后其东北方向由Yaw角决定）。

本例程使用东北地坐标系，END,飞机上电位置为原点（坐标0.0.0）以84坐标系为基础，E为东方（Y轴），N为北方（X轴），D为高度向下（Z轴），均以正值为对应方向，负值为相反方向，例程内（Z轴）高度做了反向处理。

QGC右上角姿态球有坐标（机头朝向）与航向（度）及姿态信息。

ENU与NED区别

相关名称解释：

1. MAVLink：MAVLink是一种非常轻量级的消息传输协议, 用于地面控制终端（地面站）与无人机之间 (以及机载无人机组件之间) 进行通信。MAVLink遵循现代混合发布-订阅和点对点设计模式: 数据流作为 topics 发送/发布的, 而配置子协议 (如路径点协议或参数协议）是基于重传机制的点对点模式。

2. MAVSDK：MAVSDK 是各种编程语言的库集合，用于与无人机、摄像机或地面系统等 MAVLink 系统进行交互。

3. 机体坐标系：机体坐标系与飞行器固联，坐标系符合右手法则，原点在飞行器重心处，x轴指向飞行器机头前进方向，y轴由原点指向飞行器右侧，z轴方向通过x，y由右手法则确定。机体坐标系是无人机惯性导航的基础坐标系，IMU中获得的加速度状态信息就是该坐标系下的数值。当我们获取IMU输出的x轴加速度信息时不能直接应用在NED坐标系下。无人机中的坐标转换，即为NED坐标系（惯性系）与机体坐标系之间的转换。

4. 位置控制：位置控制同样是无人机控制系统中非常重要的控制系统。位置控制实际上就是用于控制无人机在控制飞行的位置。我们希望可以准确地控制无人机按预期的速度飞往指定的目标位置，这也是无人机全自动飞行的基础。为了确定无人机的位置，需要使用在本地坐标系下的x、y、z这3个维度的坐标。但是在控制方面上往往将x轴和y轴上的控制方法称为水平位置控制，而将z轴上的坐标控制方法称为高度控制。但是这里两个控制方法需要同时进行，最终达到对3维坐标系内无人机准确飞行控制目的。

5. 速度控制：内环PID控制器，其输入内容为速度期望减去测量速度，得到速度误差。然后通过“比例-积分-微分”控制方法对速度误差进行计算，得到其输出内容。速度控制器的输入为速度期望，而输出却是姿态角期望。

6. 姿态控制：包括俯仰角、滚转角和航向角。这3个角的期望值来源于其他模块。遥控器的控制杆量、位置控制模块的输出量、地面站系统的期望值等等。角度的期望值就是系统中希望无人机达到的某一个角度，这也就是姿态控制中的目标状态，并且我们希望无人机在这个目标状态下保持稳定。

快速使用（在windows11操作验证）

目的：快速验证无人机是否正常通讯及开发环境是否正常。

提示：

1. 建议开发者有一定基础后（例如会操控无人机，或对Ubuntu、Python有一定了解）再进行快速验证，否则请按照仿真等步骤逐步了解。

2. 请选择室外空旷地带进行测试验证，与无人机保持10米以上安全距离。

1. 预装Python3.7及以上版本、pip、QGC、mrvsdk_server、vscode、git。然后打开终端，利用pip下载mavsdk。

2. 打开终端，在git安装好后，下载demo。

3.下载电脑与飞控通信节点终端mrvsdk_server。

4. 打开MFP450基础款的QGC，将地面端网线接入电脑，电脑ip固定192.168.1.123，将自动连接QGC地面站，双击运行mrvsdk_server，即可建立demo与飞控通信节点。具体设置参考拓展帮助部分的数传设置。

通讯成功如下图：

5. 进入vscode，打开takeoff-and-land.py文件，将注释放开（具体放开那个注释代码有介绍），在终端运行Python ./takeoff-and-land.py即可。将会执行无人机起飞与降落指令。过程中可使用遥控器进行干预。

具体操作如下视频：

MAVSDK-demo起飞降落

仿真环境安装

镜像安装和环境安装任选一种，建议镜像安装。对于无人机开发来说，我们比较建议先在仿真环境中进行测试，仿真是利用图形技术和数字模拟技术，在一个电脑的三维可视环境中，虚拟出了无人机和环境，类似一个三维游戏场景，在该场景中我们可以通过调用无人机的API控制接口，来在仿真环境中控制飞机，控制代码的实现效果和在真实物理环境中类似。提高了开发效率和减少了飞机因为代码逻辑问题带来的坠毁风险，对于新手开发者建议先在下面的仿真环境里做飞行试验，熟练之后再去真实场景做实验。

镜像安装

下载地址：https://dl.amovlab.com:30443/MFP450/pixhawk%206c/Ubuntu/

下载完毕后，可以选择虚拟机、双系统或者硬板安装。该镜像中已包含上文所述所有软件，开发者可直接运行仿真。具体安装方式可参考阿木实验室往期教程。

环境安装

1. 选择Ubuntu20.04版本系统，安装PX4-Autopilot。

2. 接着mkdir一个文件夹，在该文件夹下进行源码下载（由于在github下载很慢，所以后续到PX4-Autopilot目录下再单独下载子模块）。

git clone http://github.com/PX4/PX4-Autopilot

3. 下载完成后，前往PX4-Autopilot目录检查子模块是否下载完成。


cd PX4-Autopilot/
git submodule update --init --recursive

4. 可能出现执行3中命令没反应，但make的时候报错的情况，找到对应路径删掉，再执行上面那个命令。

5. 回到上一级目录，执行以下安装脚本。


cd     
bash ./PX4-Autopilot/Tools/setup/ubuntu.sh

6. 运行完后按提示重新登录或者重启，然后可以update一下。


sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

7. 进入目录编译源码进行仿真。


cd PX4-Autopilot/
make px4_sitl jmavsim

8. 安装并打开QGC地面站。下载地址：https://dl.amovlab.com:30443/MFP450/pixhawk%206c/UBUNTU20.04%E5%9C%B0%E9%9D%A2%E7%AB%99/

打开终端，安装依赖，给予权限：

sudo usermod -a -G dialout $USER
sudo apt-get remove modemmanager -y
sudo apt install gstreamer1.0-plugins-bad gstreamer1.0-libav gstreamer1.0-gl -y
sudo apt install libqt5gui5 -y
sudo apt install libfuse2 -y


chmod +x ./QGroundControl.AppImage
./QGroundControl.AppImage  (or double click)

9. 安装Python3.7以上版本后下载MAVSDK库（目前提供程序为Python版本）。


pip3 install mavsdk

10. 下载VScode，前往官网或应用商店下载。

https://code.visualstudio.com/Download

11. 下载demo。


git clone https://gitee.com/amovlab1/pcsdk

在VScode运行程序仿真（Python3 ./xxx.py）即可。

代码功能简介

提示：

真机与仿真操作一致，但真机需要注意遥控器各个拨杆的功能，确保处于定点模式下且有一键锁桨功能，防止意外。

以下是仿真模式使用，请开发者务必熟悉后再上真机复现。

在VScode运行程序Python3 ./xxx.py即可 xxx.py为运行的文件名字。

demo1-起飞降落

起飞降落指令展示：运行后为飞机会起飞，悬停10秒后降落，期间会打印GPS信息，电池电量，百分比电量等，目的在于更好的展示SDK接口可用性。下图为仿真结果：

demo2-航线任务

任务模式：使用地面站中的航点飞行模式，运行该例程可执行航点任务设置，主要为END坐标系下输入X轴，Y轴，高度,速度，悬停时间，航向角六类参数，回车确认保存航点后可重复输入，结束后可选择是否清除航线。下图为仿真结果（此模式遥控器可随时介入）：

demo3-指点飞行

Offboard模式：使用机载计算机或地面计算机控制，该模式一般用于智能飞行。运行该例程可执行指点飞行，主要为END坐标下，X轴，Y轴，高度，航向。下图为仿真结果：

提示：

1. 内含END坐标下机体系速度控制，姿态控制及速度控制。这三种控制模式较为危险，因此已经注释，切换控制模式需要解开和关闭相应注释。默认只开放位置控制，除仿真外，尽量不要使用其余控制。

2. offboard模式下，遥控器不可随时介入。

通讯连接

建议使用两路数传，QGC与MAVSDK各一路，方便更好的查看无人机状态以MFP450-V6C为例，在此基础上增加一个Mini Homer天空端，可增加MAVSDK使用时的安全性，同时也可以后续升级RTK版本硬件之一。具体方法：将新增加的Min Homer端口及目的端口设置为14540，可参考Mini Homer产品手册：https://docs.amovlab.com/minihomer-wiki/#/src/MINIHOMER/%E8%BF%9E%E6%8E%A5%E9%85%8D%E7%BD%AE%E8%AF%B4%E6%98%8E

使用数传线与飞控的TELEM3相连，（若飞控TELEM3未打开需要到参数内打开）,在参数栏搜索MAV, 找到MAV_2_CONEFIG,将其修改为telem3即打开。

默认Win为例

代码解开注释（仿真与真机有注释说明） MAVSDK默认UDP：14540；QGC端口UDP：8080。

如何与飞控进行通信

1. MAVSDK（默认）：mrvsdk_server是飞控和电脑通信的桥梁，将飞控和电脑进行连接，转发相应的数据信息（MAVLink协议的封装)。

提示：

如遇突发情况，请使用“ctrl+c”断开mrvsdk_server的通讯连接。

https://github.com/mavlink/mavsdk/releases

下载对应的mrvsdk_server，双击运行（或者下载其源码，自定义连接方式）运行后终端会打印相关MAVLink信息（绿色为mavsdk信息，红色为报错）。

Mavsdk默认UDP：14540

QGC：选择连接方式--UDP--8080--确认--连接可运行代码进行飞行测试之所以选择两种连接方式同时获取MAVLink信息，是因为可以通过QGC更好的观察飞机的状态以做出相应的判断。

2. 自定义链接修改（不建议）：下载MAVLink MAVSDK源码。

https://github.com/mavlink/MAVSDK

具体工具链路、环境等需开发者自行摸索，本文暂不提供教程。

真机运行

运行mrvsdk_server后会打印相关的MAVLink消息，结合QGC地面站确认飞机进入定点后，遥控器拨杆解锁，解锁正常，手动飞行无异常降落，然后测试一键锁桨功能正常，即可尝试mavsdk控制飞行。

安装Python3.7以上版本后下载MAVSDK库。


pip3 install mavsdk

目前提供程序为Python版本。官网下载VScode，或者应用商店下载。

https://code.visualstudio.com/Download

demo下载：

https://gitee.com/amovlab1/pcsdk

具体操作如下视频：

MAVSDK

真机测试时，部分运行程序会有一次ARM指令发送，以测试指令是否正常发送，因此运行程序时注意不要对飞机进行围观和近距离接触。

提示：

真机与仿真操作一致，但真机需要注意遥控器各个拨杆的功能，需要保证处于定点模式下且有一键锁桨功能防止意外（位于左往右第二个（6通道）通道拨杆）。除offboard外，其余均可用遥控器接入操作。

常用API接口

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