UAV Control Package

UAV Control Package 是一个基于ROS的无人机控制系统，提供完整的飞行控制、状态估计、任务规划和通信功能。

包结构

uavcontrol/
├── include/                    # 头文件目录
│   ├── uav_controller.h       # 主控制器类
│   ├── uav_estimator.h        # 状态估计器类
│   ├── mission_waypoint.h     # 任务航点控制
│   ├── aruco_land.h          # ArUco码定位降落
│   ├── usr_mqtt.hpp          # MQTT通信接口
│   ├── rc_input.h            # 遥控器输入处理
│   ├── Filter/               # 滤波器
│   │   ├── HighPassFilter.h
│   │   ├── LowPassFilter.h
│   │   └── LeadLagFilter.h
│   └── Position_Controller/   # 位置控制器
│       ├── pos_controller_PID.h
│       ├── pos_controller_UDE.h
│       ├── pos_controller_NE.h
│       └── controller_utils.h
├── src/                      # 源代码目录
│   ├── uav_control_node.cpp  # 主控制节点
│   ├── uav_controller.cpp    # 控制器实现
│   ├── uav_estimator_node.cpp # 状态估计节点
│   └── uav_estimator.cpp     # 状态估计器实现
├── utils/                    # 工具节点
│   ├── uav_command_pub.cpp   # 命令发布器
│   ├── mission_planner.cpp   # 任务规划器
│   ├── mission_waypoint.cpp  # 航点控制器
│   ├── aruco_land.cpp       # ArUco降落
│   ├── joy_node.cpp         # 手柄控制
│   ├── Led_mqtt_bridge.cpp  # LED MQTT桥接
│   └── uavstate_mqtt_bridge.cpp # 状态MQTT桥接
├── launch/                   # 启动文件
│   ├── px4.launch           # PX4飞控连接
│   ├── uav_outdor_control.launch # 室外控制
│   ├── uav_indor_control.launch  # 室内控制
│   ├── mission_planning.launch   # 任务规划
│   └── aruco_land.launch    # ArUco降落
├── config/                   # 配置文件
│   ├── uav_control.yaml     # 主配置文件
│   ├── mqtt_command.json    # MQTT命令格式
│   └── sensor_tf_offset.yaml # 传感器外参
└── sh/                      # 脚本文件
    ├── mission_planning_with_controller.sh
    ├── uav_outdor_control.sh
    └── uav_indor_control.sh

核心功能模块

1. 飞行控制器 (UAV Controller)

主要类: UAV_controller

功能特性:

多模式飞行控制 (RC控制、指令控制、任务控制)
多种位置控制器支持 (PX4原生、PID、UDE、NE)
地理围栏保护
自动起飞/降落
紧急返航功能
PX4参数动态配置

控制模式:

enum CONTROL_STATE
{
    INIT = 0,               // 初始模式      
    RC_POS_CONTROL = 1,     // 悬停状态
    COMMAND_CONTROL = 2,    // 指令控制
    LAND_CONTROL = 3        // 降落
};

位置控制器类型:

enum POS_CONTOLLER
{
    PX4_ORIGIN = 0, // PX4原生的控制算法
    PID = 1,        // PID算法
    UDE = 2,        // UDE算法
    NE = 3          // NE算法
};

2. 状态估计器 (UAV Estimator)

主要类: UAV_estimator

功能特性:

多传感器数据融合
支持多种定位源
实时状态估计
轨迹记录和可视化
传感器外参补偿

支持的定位源:

MOCAP (光学动捕)
T265 (Intel RealSense)
GAZEBO (仿真)
GPS/RTK
UWB (超宽带)
VINS (视觉惯性SLAM)
MID360 (激光雷达)
BSA_SLAM

3. 任务规划系统

主要组件:

mission_planner: 任务规划器
mission_waypoint_node: 航点控制器
mission_waypoint.h: 航点控制算法

功能特性:

自动航点导航
任务状态管理
路径规划
任务中断和恢复

4. 通信系统

MQTT通信:

远程命令控制
状态数据回传
实时参数配置
多设备桥接

支持的通信协议:

MQTT (主要)
ROS话题
串口通信

5. 视觉定位系统

ArUco码识别:

精确定位
自动降落
多码识别
位姿估计

配置文件说明

主配置文件 (uav_control.yaml)

control:
  pos_controller: 0                    # 位置控制器类型
  enable_external_control: false       # 是否启用外部控制
  Takeoff_height: 3.0                  # 起飞高度
  Land_speed: 0.2                      # 降落速度
  Rtl_height: 3.0                      # 返航高度
  disable_offboard_when_mission: true  # 任务模式时禁用OFFBOARD
  Disarm_height: 0.1                   # 上锁高度
  location_source: 4                   # 定位源
  maximum_safe_vel_xy: 1.0             # 最大安全水平速度
  maximum_safe_vel_z: 1.0              # 最大安全垂直速度
  maximum_vel_error_for_vision: 2.0    # 最大视觉速度误差

geo_fence:                             # 地理围栏
  x_min: -100.0
  x_max: 100.0
  y_min: -100.0
  y_max: 100.0
  z_min: -100.0
  z_max: 50.0

MQTT命令格式 (mqtt_command.json)

基本控制命令:

{
  "command": {
    "Takeoff": {"takeoff_height": 3.0},    // 一键起飞
    "Land": {"land_vel": 0.6},             // 一键降落
    "RTL": {"rtl_height": 30.0},           // 一键返航
    "Hover": 0,                            // 悬停
    "Mission": 0                           // 自主巡航
  }
}

速度控制:

{
  "command": {
    "Velocity": [0.5, 0.0, 0.0, 0.0]      // [vx, vy, vz, yaw]
  }
}

位置控制:

{
  "command": {
    "Position": [
      [1.0, 0.0, 0.0, 0.0],               // [x, y, z, yaw]
      [0.0, 2.0, 0.0, 0.0]
    ]
  }
}

任务规划:

{
  "command": {
    "Mission": 1,
    "BeginPoint": {"takeoff_height": 3.0},
    "Waypoints": [
      {
        "command": 16,
        "x": 29.591691970825195,
        "y": 106.56697845458984,
        "z": 10.0,
        "param1": 3.0
      }
    ],
    "EndPoint": {
      "command": 22,
      "param1": 15.0
    }
  }
}

启动文件说明

1. PX4飞控连接 (px4.launch)

<launch>
  <arg name="fcu_url" default="/dev/ttyUSB0:921600" />
  <arg name="tgt_system" default="1" />
  
  <group ns="/uav1">
    <include file="$(find mavros)/launch/node.launch">
      <arg name="fcu_url" value="$(arg fcu_url)" />
      <arg name="tgt_system" value="$(arg tgt_system)" />
    </include>
  </group>
</launch>

2. 室外控制 (uav_outdor_control.launch)

<launch>
  <arg name="uav_id" default="1" />
  
  <!-- 状态估计器 -->
  <include file="$(find uavcontrol)/launch/uav_estimator.launch">
    <arg name="uav_id" value="$(arg uav_id)" />
  </include>
  
  <!-- 主控制器 -->
  <node pkg="uavcontrol" type="uav_control_main" name="uav_control_main" output="screen">
    <param name="uav_id" value="$(arg uav_id)" />
  </node>
</launch>

3. 任务规划 (mission_planning.launch)

<launch>
  <arg name="uav_id" default="1" />
  
  <!-- 任务规划器 -->
  <node pkg="uavcontrol" type="mission_planner" name="mission_planner" output="screen">
    <param name="uav_id" value="$(arg uav_id)" />
  </node>
  
  <!-- 航点控制器 -->
  <node pkg="uavcontrol" type="mission_waypoint_node" name="mission_controller" output="screen">
    <param name="uav_id" value="$(arg uav_id)" />
  </node>
</launch>

使用方法

1. 基本启动流程

# 1. 启动PX4飞控连接
roslaunch uavcontrol px4.launch

# 2. 启动状态估计器
roslaunch uavcontrol uav_estimator.launch

# 3. 启动主控制器
roslaunch uavcontrol uav_outdor_control.launch

# 4. 启动命令发布器
roslaunch uavcontrol uav_command_pub.launch

2. 使用脚本启动

# 启动完整控制系统
./sh/mission_planning_with_controller.sh

# 启动室外控制
./sh/uav_outdor_control.sh

# 启动室内控制
./sh/uav_indor_control.sh

3. 手动控制

# 发布速度控制命令
rostopic pub /uav1/uav_command uavcontrol_msgs/UAVCommand "velocity: [0.5, 0.0, 0.0, 0.0]"

# 发布位置控制命令
rostopic pub /uav1/uav_command uavcontrol_msgs/UAVCommand "position: [1.0, 0.0, 3.0, 0.0]"

4. MQTT控制

通过MQTT发送JSON命令：

# 起飞命令
mosquitto_pub -h localhost -t "uav/command" -m '{"command": {"Takeoff": {"takeoff_height": 3.0}}}'

# 速度控制
mosquitto_pub -h localhost -t "uav/command" -m '{"command": {"Velocity": [0.5, 0.0, 0.0, 0.0]}}'

开发指南

1. 添加新的位置控制器

在 include/Position_Controller/ 创建新的控制器头文件
在 uav_controller.h 中添加控制器枚举
在 uav_controller.cpp 中实现控制器逻辑
更新配置文件中的控制器选择

2. 添加新的传感器支持

在 uav_estimator.h 中添加传感器订阅
在 uav_estimator.cpp 中实现数据处理
更新定位源枚举和切换逻辑
配置传感器外参

3. 自定义消息类型

在 uavcontrol_msgs 包中定义新消息
更新 package.xml 和 CMakeLists.txt
在代码中使用新消息类型

4. 扩展MQTT功能

在 usr_mqtt.hpp 中添加新的命令处理
更新 uav_command_pub.cpp 中的命令解析
添加相应的控制逻辑

故障排除

常见问题

飞控连接失败
- 检查串口权限: sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0
- 确认波特率设置
- 检查MAVLink协议版本
定位源切换失败
- 检查传感器数据是否正常
- 确认传感器外参配置
- 查看状态估计器日志
控制指令无响应
- 检查飞控模式是否为OFFBOARD
- 确认遥控器开关设置
- 验证地理围栏配置
MQTT通信失败
- 检查MQTT服务器连接
- 确认主题名称正确
- 验证JSON格式

调试技巧

# 查看节点状态
rosnode list
rosnode info /uav_control_main

# 查看话题数据
rostopic echo /uav1/uav_state
rostopic echo /uav1/uav_command

# 查看参数
rosparam get /uav1/uav_control_main

# 查看日志
rosrun rqt_console rqt_console

性能优化

1. 实时性优化

使用高优先级线程
优化算法计算效率
减少不必要的内存分配

2. 稳定性优化

添加数据有效性检查
实现故障恢复机制
优化传感器融合算法

3. 通信优化

使用消息压缩
实现断线重连
优化数据传输频率

许可证

本项目采用 MIT 许可证。

维护者

Morgance([email protected])

更新日志

V3.0

集成FAST-LIO SLAM系统
添加MQTT通信支持
完善任务规划功能
优化ArUco定位系统

V2.0

基础飞行控制功能
PX4飞控集成
传感器数据融合

V1.0

初始版本发布
基本控制框架

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 6 Commits
.vscode		.vscode
src		src
二维码降落		二维码降落
基础接口		基础接口
航线规划		航线规划
.catkin_workspace		.catkin_workspace
LICENSE		LICENSE
README.md		README.md
README_COMMAND.md		README_COMMAND.md
compile_control.sh		compile_control.sh

License

cmeng3952/autouav_platform

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Latest commit

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包结构

核心功能模块

1. 飞行控制器 (UAV Controller)

2. 状态估计器 (UAV Estimator)

3. 任务规划系统

4. 通信系统

5. 视觉定位系统

配置文件说明

主配置文件 (uav_control.yaml)

MQTT命令格式 (mqtt_command.json)

启动文件说明

1. PX4飞控连接 (px4.launch)

2. 室外控制 (uav_outdor_control.launch)

3. 任务规划 (mission_planning.launch)

使用方法

1. 基本启动流程

2. 使用脚本启动

3. 手动控制

4. MQTT控制

开发指南

1. 添加新的位置控制器

2. 添加新的传感器支持

3. 自定义消息类型

4. 扩展MQTT功能

故障排除

常见问题

调试技巧

性能优化

1. 实时性优化

2. 稳定性优化

3. 通信优化

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