APM 仿真遥控指南

地面站开发了一段时间了，由于没有硬件，所以一直在 APM 模拟器中验证。我们已经实现了 MAVLink 消息接收和解析，显示无人机状态，给无人机发送消息，实现一键起飞，飞往指定地点，降落，返航等功能，本期我们来看看如何在模拟器中实现对无人机的遥控。

【注意】

  1. 本期所说的遥控无人机都是指遥控无人机模拟器，不涉及硬件在环。
  2. 前方有坠机风险，请谨慎驾驶。

遥控的基本知识

遥控分为发送端和接收端，发送端自然是遥控器，接收方自然就是无人机。遥控信号一般是一系列数值，通过无线电传输。每个数值被称为一个通道(channel)，所以在无人机中，遥控信号一般也称为 Radio Channel，简称 RC。通道个数以及每个通道的作用取决于软件实现，比如 APM 共有18个通道。

无人机收到 RC 控制信号后，会通过飞控将其转换为 PWM 信号，然后输出给电调来控制电机转速。飞控就是飞行控制模块，是一个集成了多种传感器的嵌入式系统，配有飞控固件，可以通过地面站设置固件参数，简化了无人机的开发流程。

RC 信号可以理解为一个整数数组，其中有些来自摇杆，有些来自按钮，通过遥控器发送给无人机。当然，除了遥控，地面站也能发送这个数组来模拟遥控控制，所以 RC 信号的来源是可以不唯一的。此外，遥控和地面站是不同的东西，虽然在物理上可以把它们封装在一个盒子里。因为我用的是 AMP 模拟器，所以本期所讲的内容也都是基于 APM 飞控平台。

通过mavproxy遥控无人机

由于没有无人机硬件，我首先想到的是能不能通过 mavproxy 来模拟遥控控制。mavproxy 的确提供了 rc 命令来手动控制无人机，但是官网上这部分资料不够详细，对新手不太友好。简单来说就是我们可以通过 rc <channel> <value> 命令来修改某个 RC 通道的值，APM 共有 18 个通道，每个通道的范围都是 0~65535 (2字节无符号整数)，有效范围是 1000~2000，对于摇杆，1500 表示中立位置，而 0 和 65536 具有特殊含义。

  • 0 表示将该通道的值释放回遥控器。什么意思呢？也就是采用遥控器上对应通道的值，或者说将该通道的控制权交还给遥控器，为什么呢？因为 RC 输入的来源可以不止是遥控器。
  • 65535 表示忽略该通道的值，通过地面站模拟遥控时，如果不想修改某些通道的值，就可以将这些通道的值都设置为 65535。

在 mavproxy 的控制台，我们可以通过以下命令来查看各个通道的最小值，最大值和中立值，其中 x 是通道编号，取值为 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。

对于我现在的需求，用不到所有的通道，主要用到的是前4个通道，分别控制无人机的姿态和油门。至于为什么俯仰和偏航不是连着的，我也表示很好奇。

通道值含义
RC11000~2000滚转(roll)
RC21000~2000俯仰(pitch)
RC31000~2000油门(throttle)
RC41000~2000偏航(yaw)

首先我们还是通过一键起飞的方式让无人机先飞起来，用 mavproxy 命令行或者 QGC 都可以。一键起飞之后，无人机会处于 guided 模式，这个模式下无人机会飞往地图上点击的位置或者指定的某个经纬度。 guided 模式不支持手动控制，手动模式是 manual ，在 APM 中，它等价于 stabilize 模式，也就是模拟器启动时的默认模式。

不过在使用 mode 切换模式之前，我们需要先使用 rc 3 1500 命令将油门置于中立位置。因为 APM 模拟器启动时，油门默认是处于最低位置的，也就是1000。如果此时直接切换到手动模式，无人机就会因失去动力而坠机，再现经典的“黑鹰坠落”。

Mayday, Mayday! Black Hawk is going down!

现在我们可以使用 mode stabilize 切换到手动模式了。然后我们可以通过 rc 3 1600 让无人机上升， rc 3 1400 下降，或者通过 rc 1 1800 转向。RC1 到 RC4 你可以都试试，如果你还开着 QGroundControl 地面站，可以通过姿态仪和指南针查看无人机状态，因为 mavproxy 的地图没有姿态仪和指南针，所以 QGC 上会看得比较直观。唯一需要注意的就是，小心坠机！

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

我们已经学会了手动控制无人机飞行，那么能否直接手动起飞呢？

答案是肯定的。因为 APM 模拟器启动时默认就出于 stabilize 模式，因此我们可以直接解锁，然后轰油门起飞。

arm throttle
rc 3 1600

throttle 就是油门的意思， arm 是武装的意思， arm throttle 就是解锁油门。注意在无人机领域，系统状态不是用”已上锁“和”未上锁“来描述，而是用”武装“和”解除武装“来描述。”锁“表示安全，”武装“表示危险，因此他们对状态的表述是相反的，“武装”的含义是解锁，“解除武装”是上锁。

但是在实操上有个需要注意的点，那就是解锁后需要马上轰油门才能成功起飞，否则无人机会重新上锁，导致起飞失败。这个间隔时间很短，这可能跟我调快了仿真速度有关。这其实是因为无人机的自动锁定机制，当无人机落地，电机停转之后，会自动解除武装，是无人机的一种安全保护机制。

如果来不及输入命令，我们还可以先将油门设置为 1500，然后使用 arm throttle force 强制解锁。

rc 3 1500
arm throttle force
rc 3 1600

如果不强制解锁，而是使用 arm throttle ，模拟器就会报错 Arm: Throttle (RC3) is not neutral ，意思是油门处于不正常位置，这也是出于对无人机的保护，防止弹射起步。如果在连续的操作过程中导致油门没有处于最低位，在一键起飞的时候也会看到这个报错，只需要用 rc 3 1000 将油门置于最低位即可。有时候报的错可能不是 RC3，而是其他通道，也是通过 rc 命令将其设置到中立位置(1500)即可。曾经在网上看到过某些无人机在起飞之前要先将油门挡杆扒到最左，其实也是这个原因。

如果想查看 RC 输入和电机输出，可以点击 mavproxy 图形命令窗口(Console)菜单栏的 Tools 菜单。

在这里插入图片描述

然后在弹出菜单中选择 RC Inputs 或 Servo Outputs 就能看到每个 RC 通道的值和电机输出了。

在这里插入图片描述

上图左边就是初始时各 RC 通道的值。

通过代码遥控无人机

知道如何手动控制无人机之后，我们还要知道是怎么实现的。我想知道 rc 命令是如何发送给无人机的呢？首先想到的是抓包，如果我们观察 mavproxy 的启动命令，会发现它设置了三个通信地址：

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

14550 我们已经很熟悉了，这是 mavproxy 转发 mavlink 消息的地址，也是其他地面站连接的地址。 5760 是与模拟器通信的地址， 5501 是与仿真环境通信的地址，也是 UDP 协议。

为了弄清 rc 命令背后的原理，我对 5501 和 5760 两个端口进行了抓包，结果显示 rc 命令是通过 5501 端口发送出去的。但问题是发送的数据并不是 mavlink 格式，而是下面这么一串数据。

在这里插入图片描述

为了一探究竟，也只好去看看 mavproxy 的源码了。 rc 命令的源码在 MAVProxy/modules/mavproxy_rc.py 文件中，我们找到 cmd_cr 这个函数。

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)

从这个函数中，能看到 rc 命令有很多子命令， channel 就是我们上一节提到的用法， all 可以用来设置所有通道的值。 rc status 可以打印出每个通道的值，但是注意它不是打印的真实通道值，而是本地的副本，默认都是0，如果通道没有修改过，那么打印出来就会是0。而 rc guiin 和 rc guiout 对应的其实就是上一节中 Tools 菜单下的 RC Inputs 和 Servo Outputs 两个子菜单，用这两个命令也能弹出对应的窗口。

回到函数的后半段，函数将命令中设置的 value 首先记录到本地 channels 副本，然后调用了 set_override 函数设置通道值，该函数定义如下。

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 最终调用了 send_rc 函数，而在 send_rc 函数中，将 channels 发送了出去。因为我们启动 mavproxy 时设置了 sitl 参数，所以这里会进入 if 分支，也就是将 RC 通道的值发送到了 5501 端口。而且这里对数据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，每个 H 表示两个字节，也就是 chan16 数组里每个整数用两字节表示，所以我们抓包时抓到 32 字节也就不足为奇了，将它们按每两个字节拆开如下。

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

0x05dc 刚好就是十进制的 1500 ，第三个 0x05dd，而我测试用的命令正是 rc 3 1501 。

下一步我们需要在地面站中通过 mavlink 协议发送遥控信号实现手动控制无人机，这里有两个消息比较重要。一是 RC_CHANNELS (65) ，他是 无人机向地面站发送的当前 RC 通道值。二是 RC_CHANNELS_OVERRIDE (70) ，它是地面站发送给无人机的 RC 控制消息。

一是 RC_CHANNELS (65) ，他是 无人机向地面站发送的当前 RC 通道值。

二是 RC_CHANNELS_OVERRIDE (70) ，它是地面站发送给无人机的 RC 控制消息。要实现手动控制无人机，发送这个消息就行了。

这里给出两篇官方参考文章：

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

看吧，一点都不难。

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