معرفی اتوپایلوت Pixhawk؛ بررسی سختافزار، ArduPilot، MAVLink و Mission Planner
اتوپایلوت یک سیستم کنترل خودکار (Automatic Control System) است که به منظور کاهش بار کاری اپراتور انسانی (خلبان یا راننده) طراحی شده است. این سیستم با استفاده از سنسورها، پردازشگرها و الگوریتمهای کنترل، پارامترهای حرکتی را به صورت مداوم نظارت کرده و به طور خودکار تنظیم میکند.
اتوپایلوت Pixhawk
Pixhawk یک پلتفرم سختافزاری متنباز کنترلکننده پرواز (Flight Controller) است که به عنوان یکی از محبوبترین سیستمهای اتوپایلوت در حوزه پهپادها، UAVها، روباتهای خودران و وسایل پرنده بدون سرنشین استفاده میشود.
این پلتفرم توسط آزمایشگاه ETH Zurich (سوئیس) و شرکت 3DRobotics توسعه یافت و اکنون تحت حمایت پروژه DroneCode Foundation قرار دارد.
ویژگیهای اصلی Pixhawk
- معماری متنباز: سختافزار و نرمافزار آن کاملاً Open-Source است.
- فریمور پشتیبانیشده:
- PX4 (پیشنهادی برای کاربردهای حرفهای و تحقیقاتی)
- ArduPilot (مناسب برای کاربران عمومی و کاربردهای متنوع)
- پردازنده اصلی: معمولاً از سری STM32 (ARM Cortex-M) استفاده میکند.
خانواده Pixhawk
| نسخه | سال معرفی | پردازنده اصلی |
| Pixhawk 1 | 2014 | STM32F427 + STM32F103 (Coprocessor) |
| Pixhawk 2 | 2016 | STM32F427 + STM32F100 |
| Pixhawk 4 | 2018 | STM32F765 |
| Pixhawk 5 | 2020 | STM32F765 + STM32F100 |
| Pixhawk 6 | 2022 | STM32H7 (480MHz) + ICM-45686 |
| Pixhawk 6X | 2023 | STM32H7 + پردازنده دوم |
| Pixhawk 6C | 2023 | نسخه اقتصادی Pixhawk 6 |
لینک سخت افزار Pixhawk
لینک فریم ور های نرم افزاری قابل اجرا روی فلایت کنترلر Pixhawk :
ArduPilot
ArduPilot یک پلتفرم اتوپایلوت متنباز با زبان c++ است که بسیار پیشرفته و همهکاره است که قابلیت کنترل انواع وسایل نقلیه خودران را فراهم میکند. این software stack از سال ۲۰۱۰ توسعه یافته و امروزه یکی از قدرتمندترین و قابل اعتمادترین سیستمهای کنترل پرواز و حرکت در دنیا محسوب میشود.
پشتیبانی از پلتفرمهای متعدد (Vehicle Types):
- Multirotor
- Fixed Wing
- VTOL
- Traditional Helicopter
- Rover / Boat / Submarine
- Antenna Tracker
ساختار کلی ARDUPILOT
- در پایین ترین لایه برنامه داده سنسورها از ها جمع آوری و تجمیع می شود .
- در لایه میانی انواع فیلتر های پیشرفته به سنسور ها اعمال شده .
- در لایه بالا تمام داده ها تفسیر شده و دستورات پروازی اجرا می شوند.
معرفی ابزار
معرفی Mission Planner
Mission Planner یک نرمافزار رایگان و متنباز است که به عنوان ایستگاه کنترل زمینی (Ground Control Station) برای پهپادها و وسایل مبتنی بر ArduPilot طراحی شده است. این برنامه امکان تنظیم پارامترها، برنامهریزی مأموریت پرواز، مانیتورینگ لحظهای وضعیت پرنده، کالیبراسیون سنسورها و تحلیل لاگهای پرواز را فراهم میکند.
نصب و راهاندازی
- آخرین نسخه installer را از سایت رسمی ArduPilot دانلود کنید.
- مراحل نصب را دنبال کرده و فایروال و آنتیویروس را به طور موقت غیرفعال کنید.
نوار ابزار (Toolbar) و تبهای اصلی
تبهای اصلی برنامه:
- DATA: نمایش اطلاعات لحظهای پرواز (دادههای واقعی هنگام اتصال به Pixhawk یا دادههای شبیهسازی شده در حالت SITL).
- PLAN: برنامهریزی مسیر پرواز، تعریف Waypointها و مأموریتهای خودکار.
- SETUP: آپلود فریمور، کالیبراسیون سنسورها و تنظیمات اولیه سختافزار.
- CONFIG: دسترسی به تمام پارامترهای ArduPilot (یکی از مهمترین بخشها برای تنظیم دقیق سیستم).
- SIMULATION: اجرای شبیهساز SITL (Software In The Loop).: یکی از قابلیت های این برنامه اجرا sitl برای شبیه سازی دقیق وسیله قبل از تست میدانی است که در آن تمام سیستم های مربوط به پرنده و فیزیک پرواز باد و شرایط جوی شبیه سازی می شود .
نمایشگر HUD (Head-Up Display)
HUD اطلاعات حیاتی پرواز را به صورت گرافیکی نمایش میدهد:
- قطبنما (Heading)
- کیفیت ارتباط رادیویی و RTC
- ارتفاع و throttle
- مود پروازی فعلی
- وضعیت سنسورها، باتری، فیلترها و Arming Check
- سرعت هوایی (AS) و سرعت زمینی (GS)
- دریفت چپ و راست
- زوایای Roll و Pitch
نحوه اتصال به پرنده
در پنل اتصال میتوان نوع ارتباط (Serial، TCP، UDP و …) و نرخ انتقال داده (Baud Rate) را انتخاب کرد. برای اتصال به SITL معمولاً از TCP با آدرس 127.0.0.1:5760 استفاده میشود. برای اتصال به Pixhawk واقعی، ابتدا فریمور را آپلود کنید (از طریق Mission Planner یا STM32CubeProgrammer) سپس از طریق پورت سریال (COM) یا اترنت متصل شوید.
نکته معمولا بعد از اجرای sitl برنامه به صورت خودکار به شبیه ساز متصل می شود.
راهاندازی شبیهساز SITL
SITL (Software In The Loop) امکان شبیهسازی کامل پرواز روی کامپیوتر بدون نیاز به سختافزار واقعی را فراهم میکند.
مراحل راهاندازی:
- به تب SIMULATION بروید.
- نقطه Home را روی نقشه مشخص کنید قابل (Drag).
- نسخه شبیهساز را انتخاب کنید .
- نوع وسیله مورد استفاده خود را اتنخاب کنید و کمی صبر کنید
راهکارهای مشکل لود نشدن نقشه:
- استفاده از VPN
- تغییر منبع نقشه در تب PLAN
- کش کردن نقشه قبل از حالت آفلاین
- استفاده از SASPlanet
- کار در حالت بدون نقشه
– فرآیند برخاست و فرود
برخاست (Takeoff):
- Arm کردن موتورها
- تنظیم مود پروازی مناسب
- ارسال دستور Takeoff و تعیین ارتفاع هدف
فرود:
- استفاده از دستور RTL (بازگشت خودکار به خانه) یا
- تغییر مود به Land
در جدول زیر مهمترین مودهای پروازی ArduPilot آورده شده است:
| ردیف | Mode | توضیح مختصر |
| 1 | Stabilize | پرواز دستی با کمک PID برای پایداری |
| 2 | Acro | مود آکروباتیک بدون کمک پایدارسازی |
| 3 | AltHold | حفظ ارتفاع ثابت، کنترل زاویه با کاربر |
| 4 | Auto | اجرای مأموریت از پیش برنامهریزیشده |
| 5 | Guided | کنترل آنلاین از طریق ایستگاه زمینی |
| 6 | Loiter | شناور ماندن در موقعیت فعلی |
| 7 | RTL | بازگشت خودکار به نقطه Home |
| 8 | Land | فرود خودکار |
| 9 | PosHold | حفظ موقعیت و ارتفاع با دقت بالا |
بخش ACTIONS
در این بخش دستورات فوری مانند Arm/Disarm، Takeoff، RTL، Loiter، Change Altitude، Set Mode و Restart Mission قابل ارسال است.
بخش PLAN
در این تب با کلیک روی نقشه، Waypointها و دستورات مأموریت تعریف میشود. پس از تکمیل مسیر، با دکمه Write مأموریت به پرنده ارسال میگردد. برای اجرای خودکار، مود پروازی را روی Auto قرار دهید.
MAVProxy
MAVProxy یک ابزار خط فرمان (Console) سبک است که امکان ارسال دستورات MAVLink و دریافت دادهها از ArduPilot را فراهم میکند. این ابزار برای اسکریپتنویسی، تست و کنترل پیشرفته مناسب است.
اتصال به SITL
|
1 |
mavproxy --master=tcp:127.0.0.1:5762 |
بعد از اتصال موفق، کنسول MAVPROXY باز می شود و شروع به نمایش دیتا های HEALTH SYSTEM می کند .
MAVProxy دارای HUD، Map، Parameter Editor و مجموعه دستورات فرآوان برای کنترل پرواز، مأموریت، سنسورها و لاگها است.
Mavlink :
MAVLink (Micro Air Vehicle Link) یک پروتکل ارتباطی سبک، کارآمد و متنباز است که برای تبادل داده بین پهپادها، روباتها و ایستگاه کنترل زمینی طراحی شده است. این پروتکل از نسخه ۲.۰ قابلیت امضای دیجیتال (Signature) را پشتیبانی میکند که امنیت انتقال داده را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.
ساختار بسته MAVLink2
ساختار کلی یک پیام MAVLink به صورت زیر است:
- Header : شامل شناسه پیام، سیستم و کامپوننت.
- : Payload دادههای واقعی پیام (مثلاً موقعیت، سرعت، وضعیت باتری).
- CRC : بررسی صحت بسته.
- Signature (در نسخه ۲): برای احراز هویت و امنیت.
- لایهای سبک برای تبادل پیامهای بایت به-بایت بین پهپادها و ایستگاههای کنترل تعریف میشود-.
- | magic | len | incompat_flags | compat_flags | seq | sysid | compid | msgid|
- |payload|
- | CRClow | CRC-high |-
- این ساختار کلی دیتای ارسالی در پروتکل MAVLNK هست .
- مثال HEARTBEAT: دیتایی که اطلاعات اولیه سیستم را بعد از اتصال موفق برمیگرداند مربوط به سلامت سیستم می باشد .
- FE 09 00 00 01 01 00 00 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 4D 20
- در بالا نمونه دیتای ارسالی را مشاهده می کنید که از USART خوانده شده است .
- بایتهای امضای دیجیتال در انتهای فریم MAVLink 2.0 قرار میگیرند؛ دقیقاً پس از دو بایت CRC اضافه میشوند. این بخش شامل زمان، مهر 4 بایت، امضای 8 بایت و شناسهپیوند 1 بایت است.
این ساختار کلی MAVLINK هست .
کتابخانه PyMAVLink
برای ارتباط با پروتکل MAVLink در پایتون از کتابخانه pymavlink استفاده میشود.
نصب:
|
1 |
pip install pymavlink |
توابع مهم پیادهسازیشده
اتصال به SITL و دریافت Heartbeat:
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 |
from pymavlink import mavutil def connect_to_sitl(): اتصال به شبیهساز SITL print("Connecting to SITL...") try: drone = mavutil.mavlink_connection('tcp:127.0.0.1:5763', timeout=5) drone.wait_heartbeat(timeout=15) print(f"✅ Connected to SITL! System: {drone.target_system}") return drone except Exception as e: print(f"❌ Connection failed: {e}") return None |
ارسال دستور سرعت (Velocity) برای دنبال کردن هدف:
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 |
def send_velocity(drone, vel_x, vel_y, vel_z=0): ارسال دستور سرعت برداری if drone is None: return drone.mav.set_position_target_local_ned_send( 0, # time_boot_ms drone.target_system, drone.target_component, mavutil.mavlink.MAV_FRAME_LOCAL_NED, 0b0000111111000111, # ماسک: فقط سرعت 0, 0, 0, # موقعیت (نادیده گرفته شود) vel_x, vel_y, vel_z, # سرعت (متر بر ثانیه) 0, 0, 0, # شتاب 0, 0 # Yaw, Yaw rate ) |
تغییر مود پروازی و Arm کردن:
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 |
def set_mode(drone, mode): تغییر مود پروازی if drone.mode_mapping(): mode_id = drone.mode_mapping()[mode] drone.mav.set_mode_send( drone.target_system, mavutil.mavlink.MAV_MODE_FLAG_CUSTOM_MODE_ENABLED, mode_id ) print(f"Mode changed to: {mode}") def arm_and_wait(drone): """Arm کردن موتورها""" print("Arming...") drone.arducopter_arm( drone.motors_armed_wait() print("✅ Armed successfully") |
پالت | بازار خرید و فروش قطعات الکترونیک
قطعات اضافه و بدون استفاده همیشه یکی از سربارههای شرکتها و طراحان حوزه برق و الکترونیک بوده و هست. پالت سامانهای است که بصورت تخصصی اجازه خرید و فروش قطعات مازاد الکترونیک را فراهم میکند. فروش در پالت
آیسی | موتور جستجوی قطعات الکترونیک
سامانه آی سی سیسوگ (Isee) قابلیتی جدید و کاربردی از سیسوگ است. در این سامانه سعی شده است که جستجو، انتخاب و خرید مناسب تر قطعات برای کاربران تسهیل شود. جستجو در آیسی
سیسوگشاپ | فروشگاه محصولات Quectel
فروشگاه سیسوگ مجموعه ای متمرکز بر تکنولوژی های مبتنی بر IOT و ماژول های M2M نظیر GSM، GPS، LTE، NB-IOT، WiFi، BT و ... جایی که با تعامل فنی و سازنده، بهترین راهکارها انتخاب می شوند. برو به فروشگاه سیسوگ
سیسوگ فروم | محلی برای پاسخ پرسشهای شما
دغدغه همیشگی فعالان تخصصی هر حوزه وجود بستری برای گفتگو و پرسش و پاسخ است. سیسوگ فروم یک انجمن آنلاین است که بصورت تخصصی امکان بحث، گفتگو و پرسش و پاسخ در حوزه الکترونیک را فراهم میکند. پرسش در سیسوگ فرم
سیکار | اولین مرجع متن باز ECU در ایران
بررسی و ارائه اطلاعات مربوط به ECU (واحد کنترل الکترونیکی) و نرمافزارهای متن باز مرتبط با آن برو به سیکار
سیسوگ با افتخار فضایی برای اشتراک گذاری دانش شماست. برای ما مقاله بنویسید.