无人机遥控器控制指令处理

风履

手动操纵飞行时，遥控器用来传达用户指令，接收机用来接收遥控器信号并发送给飞控

这篇和大家一起看下飞控对遥控器（RemoteControl, RC）指令处理相关内容

指令处理是个复杂的话题，涉及协议解析、解锁上锁、模式切换、失控保护等等。我们先从最基础的遥控器硬件与协议说起

一 遥控器种类与接收机协议

对遥控器通信的基本要求是稳定可靠与操作实时性。数字信号从遥控器到接收机经历调制、传输、解调过程，一般各个遥控器生产厂商都有自己独立的遥控器协议。国家规定2.4G、5.8G频段可被用于民用无线电业务，遥控器与接收机之间通常采用2.4G无线电信号传输数据，5.8G频段一般用于无人机与地面图像传输

这里所说的接收机协议是接收机与飞控通信方式。主流航模遥控器按接收机协议可以划分为三大类

1PWM、PPM

大多数接收机与飞控通信采用PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号，它固定周期，通过占空比来表示控制量大小。此时接收机通道和飞控通道一对一连接，这样接线十分复杂，而且占用空间

一种办法是，把多路通道PWM高电平信号合并成一路。如下所示，用两个上升沿之间的宽度表示单路PWM通道占空比，这样就只需要占用一路飞控通道，这就是PPM（Pulse Position Modulation）协议

图片来源：网络

通常PWM转PPM被单独做成一个模块，称为PPM编码器

2总线协议

FUTABA遥控器推出了串行总线协议S-BUS，类似地还有DJI推出的D-BUS。串行总线协议硬件上基于RS232，采用TTL-3.3V电平，高低电平取反，通信波特率为100K

协议字节序列含义如下描述

3 DSM（Digital Spread Spectrum Modulation）DSM2 DSMX

JR和Spectrum等带有卫星接收机用作安全冗余，支持DSM2与DSMX协议。可以采用串口通信，市面上主流飞控如Pixhawk、CC3D等都对其协议提供支持

二 微调校准

对遥控器舵量校准也采用线性模型

   

其中x为接收机输入飞控舵量，y为校正后实际舵量。很显然，可以通过摇杆打到极限采样值来计算得到k、摇杆回中来解算得到b

三 指令处理逻辑

1 解锁

解锁（Arm）状态是由上电状态进入桨叶怠速状态，上锁（DisArm）则是返回上电状态，此时摇杆指令不会转化成电机控制舵量，起到保护作用

首先遥控器摇杆特定手势，如油门最下，方向最右，并保持几秒。此时，飞控进入一系列校验逻辑，校验通过后即可进入解锁状态

（1）判断解锁上锁手势

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/ee96d209d78510fe7bcc2c34e526648fa79c0135/src/modules/manual_control/ManualControl.cpp#L159

（2）进入回调，处理解锁上锁指令

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/6535cc758ebe1302bbd24a7bac14969c7c5129f0/src/modules/commander/Commander.cpp#L1504

（3）初步校验

需要油门杆处在较低水平，并且当前飞行模式为手动

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/6535cc758ebe1302bbd24a7bac14969c7c5129f0/src/modules/commander/Commander.cpp#L543

（4）执行切换

如果初步校验通过，执行切换逻辑

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/6535cc758ebe1302bbd24a7bac14969c7c5129f0/src/modules/commander/Arming/ArmStateMachine/ArmStateMachine.cpp#LL41C38-L41C61

（5）校验过程

校验对象保存在列表HealthAndArmingChecks的_checks成员中，依次执行

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/6535cc758ebe1302bbd24a7bac14969c7c5129f0/src/modules/commander/Arming/ArmStateMachine/ArmStateMachine.cpp#LL68C4-L68C10

这种校验是广泛而基础的，如传感器加速度计、陀螺仪、空速、气压计等传感器需要数据没有过期，并且已经校准；估计器算法运转健康状态；CPU负载没有过高，电池电量足够；还有一些模式切换相关的校验等。

2 上锁

上锁过程相比而言，要简化许多，主要是不需要执行飞行前检查

另外，上锁手势触发上锁逻辑后，初步校验需要飞行器处于降落状态

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/6535cc758ebe1302bbd24a7bac14969c7c5129f0/src/modules/commander/Commander.cpp#L607

3 模式切换

3.1 模式定义

PX4支持非常多的飞行模式，它们本质上是如何定义三轴控制目标量

在手动飞行的众多模式中。增稳模式将遥控器舵量转化为三轴角度，通过串行控制提高操纵稳定性，是新手最常用的飞行模式；特技飞行模式则将遥控器舵量转化为三轴角速度，因此飞行体验上比增稳模式更灵敏，对操纵手技术要求也更高，是穿越机或3D飞行表演常用的飞行模式。

在这两种飞行模式下，滚转与油门控制耦合，打副翼同时需要提升油门，否则会掉高，有没有一种飞行模式可以解放两只手的配合？这就是半自主模式，在定点、定高模式下，无人机操作进一步得到简化。

如果飞机电量不足或超出视距，我们希望它通过自主返航模式，回到起飞点。另外在一些场景下，我们手动设置航路点，飞机自主规划最佳路径来完成飞行，这就是任务模式。

无人机借助视觉信息等实现完全自主飞行，是离线控制模式。此时无人机搭载离线计算机，借助视觉等传感器的定位信息自主决策完成任务。这是与SLAM、视觉算法、避障、路径规划算法结合的一个方向，也是最有潜力的方向，不过这样的发展逐渐丧失了航模操作的快乐。

对于不同模式下，控制目标量的设置，我们留在控制相关推送来介绍

3.2 模式切换

PX4模式切换和上锁解锁流程类似，并且实际的校验过程也是沿用了上锁解锁前的校验结果

（1）检查遥控器开关拨动

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/ee96d209d78510fe7bcc2c34e526648fa79c0135/src/modules/manual_control/ManualControl.cpp#L170

（2）判断可否进行模式切换

校验仍然是采用前述校验结果，此处直接用标志位判断

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/ee96d209d78510fe7bcc2c34e526648fa79c0135/src/modules/commander/Commander.cpp#LL1550C9-L1550C9

（3）执行切换

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/6535cc758ebe1302bbd24a7bac14969c7c5129f0/src/modules/commander/Commander.cpp#L2404

（4）模式切换校验

模式切换校验核心逻辑由mode check来处理，并针对不同模式，把校验任务分发给不同文件来做

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/ee96d209d78510fe7bcc2c34e526648fa79c0135/src/modules/commander/HealthAndArmingChecks/checks/modeCheck.cpp

以切换至offboard为例，需要判断数据以及需要的位置、速度估计信息是否有效

https://github.com/PX4/PX4-Autopilot/blob/ee96d209d78510fe7bcc2c34e526648fa79c0135/src/modules/commander/HealthAndArmingChecks/checks/estimatorCheck.cpp#L768

这就是无人机对解锁上锁、模式切换相关处理。有些朋友在插桩或仿真时候，苦于解锁校验和模式切换无法完成预期测试，这篇希望能对这些朋友有所帮助。下一篇，我们一起看下无人机在失控状态下，如何进行自我保护