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code-test-drone/docs/L1航向伺服实现方案.md
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keita ded17d7995 实现预定流程全链路: 任务状态机 + 编排器 + 地面站 + 真机/SITL入口
- utils/task_runner: 6态状态机(WAIT→ARM_TAKEOFF→GOTO(L2)→TRACK(L1)→APPROACH→RTL)
  + 编排器(快照采集/状态动作) + 双层日志(事件JSONL/遥测CSV) + 吊舱控制指令(0x07/0x0F/0x0E/0x08)
- pod_bridge: ground_link 地面坐标UDP注入(超龄判无效,无激光替代表4);
  set_heading_servo_enabled() 运行时L1/L2切换(切换即reset清积分防输出跳变);
  pod_locked 提为公共门控; config 新增 ground_inject 段
- virtual_pod 模拟吊舱(无电机语义) + verify_px4 增量④仅飞控验证 +
  pod_sitl_test L1 SITL全流程(飞行编排不塞进 run_bridge, 保持纯offboard闭环入口)
- 入口: task_runner_sitl(VirtualPod+虚拟目标, SITL端到端跑通约1m24s) /
  task_runner_real(真串口+UDP注入+吊舱控制)
- 地面站 ground_station: 坐标注入 + 状态可视化(Flask)
- S1标定回填(2026-10-09): beta_sign=+1 / alpha_sign=-1, 加标定回归测试守护
- 新增测试: task_runner x4 + ground_link/virtual_pod*/bridge/px4_gateway 增量; 全量 483 passed
- 文档: 预定流程(需求) + 预定流程-操作指南(操作/待办) + L1方案补S1结论与实现状态
2026-10-13 15:50:32 +08:00

15 KiB
Raw Blame History

L1 航向伺服落地方案(无距离,树莓派 / Python)

目标:先把"只修正飞行方向、不需要距离"的部分落地,速度-距离闭环(L2)滞后。 基于结论:本吊舱无激光 → 表4 永不出,且不允许二次开发(部署文档 §10.0 / §10)。 日期:2026-10-09 状态:S0 已实现(路线 A1 + L1 胶水层),全量 396 passed;符号待台架 S1 标定


0. 结论先行:L1 不用新写控制律

visual_track_control.TrackingControlLaw 已经内建"无距离"路径,第 ⑦ 步:

distance_available = snapshot.distance_valid and distance>0 and 未超龄
   ├─ True  → 距离 PID → 前向速度(这是 L2,滞后做)
   └─ False → 清积分,按 cfg.distance.no_distance_action 三选一:
        HOLD          → vx = 0        (只转向,不前近)← 首次上机用这个
        SLOW_APPROACH → vx = 固定保守限速  ← 航向验证通过后用这个
        EXIT          → 持续无距离达 grace 才降级

所以 L1 = TrackingControlLaw + distance_valid=False + 无距离动作配置, 航向/垂直通道、限幅、超龄、Coast 清积分、NED 旋转全部复用既有实现 (该包有 81 个测试保障)。要新写的只有"胶水层":把吊舱表2-2 的角度量喂进去。


1. 现有构件盘点(能复用什么)

构件 位置 L1 怎么用
TrackingControlLaw visual_track_control/tracking_control_law.py 主控制律,直接用
ControlSnapshot / TrackState visual_track_control/types.py 输入结构,distance_valid=False
PixelToAngle line_of_sight.py ❌ 绕过(见 §2.1,吊舱给的已是角度)
PidController / SlewRateLimiter 同包 被控制律内部使用
PodBridge 主循环 pod_bridge/bridge.py 改:把 GuidanceLaw 换成 TrackingControlLaw
_pod_locked() bridge.py:173 目标门控(⚠ 有坑,见 §2.3)
表2-2 角度量 protocol.py:150-160 off_target_x/y_deg、frame_yaw/pitch_deg

2. 三个关键设计决策

2.1 🔴 航向信号要用「框架角 + 脱靶量」,不能只用脱靶量

这是本方案最容易踩空的地方:

吊舱锁定后内部伺服会自己把目标保持在画面中心,所以脱靶量长期 ≈ 0。 若只用脱靶量驱动航向,稳态时根本没有信号,飞机会"不知道该往哪转"。

正确的信号是框架角(frame_yaw_deg,云台相对机体的方位角):目标居中时它 依然非零,它就是"目标相对机头的方位"。合成:

β = frame_yaw_deg  +  off_target_x_deg      (水平,右正)
α = frame_pitch_deg + off_target_y_deg      (垂直,下正)
  • 目标居中时:off_target ≈ 0,β 由框架角提供(主信号)
  • 云台滞后 / 大偏差时:脱靶量提供动态补充

控制律让 β → 0,等价于把机体航向转向目标、让云台回中(标准 gimbal-slaved 航向控制)。这正是"用吊舱修正飞行方向"的正确做法。

⚠ 必须在台架标定:① 框架角是否确为"相对机体"(而非绝对方位); ② β/α 的正方向是否与控制律约定(右正 / 下正)一致。符号错了会反向转。

额外好处:走角度输入就与视场 FOV 无关——吊舱会变焦,若走像素换算 (PixelToAngle 反推),变焦后 FOV 变化会直接失真。这是不用像素路径的硬理由。

⚠ 本版吊舱未装电机(决策 2,2026-10-09):云台刚性固连机体、朝前不动, frame_yaw_deg 恒 0("框架角无用"),锁定后也不会自 servo 回中,故脱靶量 长期不≈0。此时 off_target_x_deg 恰好 = 目标相对机头的视线角 β,是唯一 有效信号。因此合成做成配置双路(beta_from_frame / beta_from_off_target):

  • 现在(无电机):beta_from_frame=false、beta_from_off_target=true → β = off_target_x
  • 将来(装电机):两者皆 true → β = frame_yaw + off_target_x(即上文 §2.1)

"装不装电机"只是翻配置,架构(姿态来自 PX4、角度来自吊舱)不变。装电机后 §2.1 的"脱靶量长期≈0、必须靠框架角"警告才重新生效。

S1 标定结论(2026-10-09):厂商确认本版电机无用;实测目标在左下时 off_target_x/y 均为负 → 吊舱 X 轴右正(与控制律 β 同向)故 beta_sign=+1; Y 轴上正(与控制律 α"下正"相反)故 alpha_sign=-1。已回填 pod_bridge.json 并加标定回归测试(test_deployed_config_has_calibrated_signs)守护。

2.2 如何接入 TrackingControlLaw(三选一,需拍板)

控制律第 ④ 步现在是硬编码从像素算角度,没有"直接喂角度"的入口:

x_offset = snapshot.track.center[0] - image_width * 0.5   # tracking_control_law.py:135
beta_deg = self._pixel_to_beta.convert(x_offset) * RAD_TO_DEG
路线 做法 评价
A1(推荐) ControlSnapshot 加可选字段 los_beta_deg / los_alpha_deg(默认 None);第 ④ 步:提供了就直接用,否则走原像素路径 改动约 10 行,向后兼容、现有 81 测试不受影响,⑤~⑧ 步(限幅/超龄/Coast/无距离/NED 旋转)全部复用
A2 不动上游,在 pod_bridge 里写 PodHeadingServo 薄封装,复用 PidController/SlewRateLimiter/is_stale 不碰稳定模块,但要重寫 ⑤⑥⑦⑧ 的逻辑,与既有实现双份维护,易走偏
B 把角度反推成"等价像素偏移"喂进现有字段 ❌ 不推荐:需要 FOV,吊舱变焦即失真,且多绕一层徒增误差

建议 A1。代价是动一下 visual_track_control(需补 3~5 条测试守住"默认 None 仍走像素路径"的兼容性)。

2.3 ⚠ tracked 判据不能只信 bit2

已知事实(部署文档 §10):锁定位置位 bit2 在目标丢失后不复位,且脱靶量 没有无效标志位、丢失时表现为 0。后果:

  • 只信 bit2 → 目标早已丢失,仍认为"锁定中"继续转;
  • 只看脱靶量 0 → 误判为"跟得很好"。

L1 的 tracked 判据按阶段递进:

阶段 判据
台架(S1~S2) bit2 锁定 且 遥测未超龄(现有 _pod_locked())+ 人工在旁观察,随时按键 u 解锁
接入视觉后(S3+) bit2 且 我方 stereo_yolo/target_tracker 有目标(第二判据,必做)

3. 改动清单(文件级)

计划视图。实际落地状态与逐文件勾选见 §9(含计划外新增的 config.py:load_from_dict)。

# 文件 改动
1 utils/visual_track_control/types.py ControlSnapshot 加 los_beta_deg / los_alpha_deg: Optional[float] = None(路线 A1)
2 utils/visual_track_control/tracking_control_law.py 第 ④ 步:角度直入优先,否则回退像素路径
3 utils/pod_bridge/bridge.py 新增 _build_snapshot():表2-2 → ControlSnapshot(β/α 按 §2.1,符号由配置);step() 改走 TrackingControlLaw;tracked 用 §2.3 判据
4 utils/pod_bridge/config.py 新增 L1 配置段(信号源、符号、门限、是否禁用垂直)
5 utils/config/pod_bridge.json 落配置值(铁律:数值不写死在代码里)
6 utils/tests/... 新增测试:角度直入路径、默认 None 兼容性、bridge L1 组装(FakePod)

暂不动:guidance.py(L2 地理引导)保留,按配置在 L1 / L2 间切换, 等 L2 有标定过的距离源再启用。


4. 配置外置(要点,非最终字段名)

// utils/config/pod_bridge.json —— L1 段(已实现,字段名与 HeadingServoConfig 一致)
"heading_servo": {
  "enabled": true,             // true=走 L1(TrackingControlLaw),false=L2(GuidanceLaw)
  "beta_sign": 1,              // 台架 S1 标定后填 ±1(符号错了会反向转)
  "alpha_sign": 1,
  "beta_from_frame": false,    // 无电机 → 框架角无用;装电机后置 true
  "beta_from_off_target": true,// 无电机 → 脱靶量即 β 主信号
  "alpha_from_frame": false,
  "alpha_from_off_target": true,
  "vertical_enabled": true,    // 决策3:无人机 L1 开垂直(vz 由 tracking.vertical 压低)
  "require_vision": false      // true = 需我方视觉第二判据(S3 起开,§2.3)
}
// tracking 段(内嵌整份 visual_track_control 配置,各分组须齐全;L1 首飞值)
"heading":  { "mode": "rate", "gain": 1.0, "yaw_rate_limit_dps": 20.0, "yaw_slew_limit_dps2": 40.0 },
"distance": { "no_distance_action": "slow_approach",       // 决策3:低速接近(非 hold)
              "no_distance_approach_limit_mps": 0.2 },     // 极低限速起步
"vertical": { "vz_gain_mps_per_deg": 0.05, "vz_limit_mps": 0.5 }  // 开垂直但压低

决策 3:首次上机 no_distance_action = "slow_approach"、限速 0.2 m/s(很低), 而非原推荐的 hold。安全不受影响——S2 干跑不下发 offboard,符号先验证过再通电。 beta_sign/alpha_sign/增益均为占位,须 S1/S2 标定后回填,标定前不得实飞。


5. 台架落地步骤(增量,每步过了再下一步)

步骤 做什么 通过判据
S0 纯软单测 新增测试 + 全量回归 全绿(当前 372 → 增加)
S1 标定 pod_console.py 观察云台转动 / 移动目标时 frame_yaw/frame_pitch、off_target_x/y 的变化 确认框架角是"相对机体";定出 beta_sign / alpha_sign
S2 干跑 bridge 以 dry-run 跑 L1,不下发 offboard,只打印 yaw_rate 目标偏左 → yaw_rate 为负(左转),符号正确;目标居中 → 趋于 0
S3 不装桨接飞控 真实 offboard 机体转向目标、云台逐步回中;人工可随时接管
S4 切 slow_approach vx = 0.3 m/s 起步 缓慢接近不振荡;异常立即 RC 切手动
S5 装桨试飞 — 最后一步,先在空旷场地

⚠ S3 起必须:不装桨 / 空旷场地 / RC 随时可切手动 / 有人值守。


6. 风险与判据

风险 判据 / 对策
符号反了 → 反向转 S1 标定 + S2 干跑必验;配置化而非硬编码
bit2 粘滞 → 丢失后仍转 第二判据(我方视觉);台架期人工值守
框架角定义不符(绝对而非相对机体) S1 实测确认,不符则改用脱靶量积分等替代
云台归中/搜索态框架角乱转 仅锁定态启用;非锁定 → tracked=False → BRAKE_HOVER
垂直通道撞地 L1 强制 vz_gain=0
测距噪声(L2 才有) L2 滞后,且不用连续 PID,改分段限速

7. 与 L2 的接口预留

L1 落地时就留好口子,将来 L2 只是"换个输入源",不动结构:

  • ControlSnapshot.distance_valid / target_distance_m / distance_time_ms 字段 现在就按 False 填全,L2 时换成 stereo_ranger 的 forward_distance_m;
  • bridge.step() 按配置在 TrackingControlLaw(L1)与 GuidanceLaw(L2)间切换;
  • guidance.py 的输入接口保持不变,等有标定过的距离源再启用。

8. 已拍板(2026-10-09)

  1. 接入路线 = A1:ControlSnapshot 加可选 los_beta_deg/los_alpha_deg,第④步角度直入优先、否则回退像素路径。已实现(types.py / tracking_control_law.py,补 5 条兼容性测试)。
  2. 目标类型 = 无人机(空中):影响 L2 几何反推法,L1 无关。
  3. 首次上机 = slow_approach + 极低限速 0.2 m/s(非 hold);L1 开垂直通道,但 vz 限速压低(vz_limit_mps=0.5、vz_gain=0.05)防撞。

补充决策(BridgeConfig 结构):BridgeConfig 直接内嵌 TrackingConfig 字段 + heading_servo 段;运行时按 heading_servo.enabled 在 L1(TrackingControlLaw)/L2(GuidanceLaw) 间切换,L2 接口天然保留(对齐 §7)。姿态来自 PX4、β/α 来自吊舱(决策 2 见 §2.1 无电机说明)。


9. 实现状态(S0 已完成)

# 文件 状态
1 visual_track_control/types.py ✅ ControlSnapshot 加 los_beta_deg/los_alpha_deg: Optional[float]=None
2 visual_track_control/tracking_control_law.py ✅ 第④步角度直入优先,否则回退像素
3 visual_track_control/config.py ✅ 拆出 load_from_dict() 供 bridge 内嵌复用
4 pod_bridge/config.py ✅ 加 HeadingServoConfig + 内嵌 TrackingConfig,严格校验符号(±1)
5 pod_bridge/bridge.py ✅ _build_snapshot();step() 按 enabled 切 L1/L2;_dispatch 对 DEGRADED_HOLD 补发刹车保心跳;vision_target_fn 注入点(§2.3 第二判据)
6 config/pod_bridge.json ✅ 落 L1 首飞值(slow_approach/0.2、垂直压低、无电机 → 仅脱靶量)
7 tests/ ✅ 新增 24 条(vtc 5 + config 9 + bridge L1 10);全量 396 passed
8 pod_bridge/run_bridge.py ✅ 闭环 CLI 入口:--dry-run(S2 只接吊舱/不发 offboard/打印 β→yaw_rate) 与实飞(S3+,PodBridge.connect+信号优雅停机);配套 run_bridge_test.py 5 条,全量 401 passed
9 pod_bridge/bridge.py:run() ✅ 循环周期改按生效律取频率(L1=tracking.control,L2=guidance),修 L1 live 频率错配
10 pod_bridge/virtual_pod.py ✅ 模拟吊舱(SITL/台架工具):按无电机语义合成表2-2(框架角恒0、无激光、不可见→bit2=0+脱靶量归0),符号与 S1 标定一致
11 pod_sitl_test.py(根目录) ✅ L1 SITL 全流程(test.py 吊舱版):解锁→起飞→锚点→offboard→L1 闭环(VirtualPod→PodBridge→控制律)→丢目标→刹车→RTL→落地→上锁,轨迹落 CSV;飞行编排不塞进 run_bridge(保持其纯 offboard 闭环入口)
12 tests/pod_bridge/virtual_pod*_test.py ✅ 15 条:S1 符号回归 + VirtualPod×PodBridge×控制律集成(右转/下降/慢速前近/丢目标刹车);全量 417 passed

待办(非代码,台架):S1 标定 已完成(2026-10-09):目标在左下时 off_target_x/y 均为负 → 吊舱 X 轴右正(与 β 同向)beta_sign=+1;Y 轴上正(与 α 下正相反) alpha_sign=-1(已回填 pod_bridge.json,并加标定回归测试守住)。厂商确认本版 电机无用 → beta_from_frame/alpha_from_frame 恒 false。剩 S2 干跑 run_bridge.py --dry-run 复核方向与量级(目标偏左→yaw_rate 负、居中→趋 0),并标定 heading.gain; 之后 SITL 全流程 python pod_sitl_test.py(需 PX4 SITL,本机尚未实跑)→ S3 不装桨接飞控。