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@@ -4,183 +4,184 @@ from enum import Enum
class MissionState(Enum):
INIT = 0 # 初始化/流式发送指令准备中
ARMING = 1 # 模式切换与解锁中
TAKEOFF = 2 # 自动起飞中(虚拟航点导航起飞)
INIT = 0 # 初始化/等待连接
ARMING = 1 # 解锁中
TAKEOFF = 2 # 自动起飞中
NAVIGATING = 3 # 航点巡航导航
HOLD_TASK = 4 # 到达航点后的原地任务悬停检测
RETURNING = 5 # 任务完成,准备切换降落
HOLD_TASK = 4 # 到达航点后的原地任务悬停
RETURNING = 5 # 返航或直接准备降落
LANDING = 6 # 自动降落中
FINISHED = 7 # 任务结束/已上锁退出
FINISHED = 7 # 任务结束/已上锁
HOLD_FINAL = 8 # 结束巡点后原地悬停(当 return_to_home 为 False 时使用)
class FailsafeTriggered(Exception):
"""自定义安全异常:当安全员人工介入切出自控模式时抛出,用于暴力熔断主循环"""
pass
class MissionManager:
def __init__(self, drone, waypoints, target_altitude=1.5, arrival_radius=0.3, hold_duration=5.0, return_home=True):
def __init__(self, drone, waypoints, target_altitude=1.5, arrival_radius=0.3, hold_duration=5.0,
return_to_home=True):
"""
专为 PX4 固件优化的自动巡点状态机管理器
:param drone: 实例化的 DroneController 底层驱动对象
:param waypoints: 航点列表,格式为 [{'x': 1.0, 'y': 2.0, 'z': -1.5, 'yaw': 0}, ... ]
注意:NED 坐标系中,Z轴向下为负,所以起飞或目标高度输入正数,内部会自动转为NED负值
注意:NED 坐标系中,Z轴向上为负,所以起飞或目标高度应为负值
:param target_altitude: 初始起飞高度(米,正数,内部会自动转为NED负值)
:param arrival_radius: 判定航点到达的三维欧氏距离阈值(米)
:param hold_duration: 在每个航点到达后,原地执行悬停/任务的停留时间(秒)
:param hold_duration: 在每个航点到达后,执行任务(或悬停)的停留时间(秒)
:param return_to_home: 巡点结束后是否返回起始点降落。如果为 False,则在最后一个航点原地悬停。
"""
self.drone = drone
self.waypoints = waypoints
self.target_altitude = -abs(target_altitude) # 强制转为 NED 坐标系的负高度
self.target_altitude = -abs(target_altitude) # 强制转为 NED 负值
self.arrival_radius = arrival_radius
self.hold_duration = hold_duration
self.return_home = return_home
self.return_to_home = return_to_home
self.state = MissionState.INIT
self.current_wp_index = 0
self.hold_start_time = None
self.hold_start_time = 0.0
# 链路活性流式计数器:确保以固定频率下发心跳期望(防PX4失控刹车)
self.last_send_time = 0.0
self.send_interval = 0.2 # 0.2秒对应 5Hz 下发频率
# 记录起始点坐标,用于返航
self.home_x = 0.0
self.home_y = 0.0
self.home_z = self.target_altitude
def calculate_distance(self, target_x, target_y, target_z):
"""计算无人机当前局部局部位置(来自飞控 LOCAL_POSITION_NED 遥测)与目标的欧氏距离"""
def get_distance(self, target_wp):
"""计算当前无人机局部 NED 坐标到目标航点的三维欧氏距离"""
curr_x, curr_y, curr_z = self.drone.local_position
dx = target_x - curr_x
dy = target_y - curr_y
dz = target_z - curr_z
dx = target_wp['x'] - curr_x
dy = target_wp['y'] - curr_y
dz = target_wp['z'] - curr_z
return math.sqrt(dx ** 2 + dy ** 2 + dz ** 2)
def _stream_target_position(self, x, y, z, yaw):
"""维持 PX4 OFFBOARD 模式所需的流式位置期望下发(限制 5Hz 频率)"""
now = time.time()
if now - self.last_send_time >= self.send_interval:
# 假设你的底层 base_control.py 中有 send_target_position 接口
self.drone.send_target_position(x, y, z, yaw)
self.last_send_time = now
def update(self):
"""
核心状态机轮询函数。
高层主循环(如主循环 10Hz)必须不间断调用此函数驱动飞行任务。
一旦检测到人肉介入,直接抛出 FailsafeTriggered 异常终止运行。
状态机核心主循环,需由上位机主程序以 5Hz~10Hz 的高频流式调用。
包含链路维持、安全熔断以及新增的原地悬停/返航分支。
"""
# ==================== 1. 安全人肉熔断机制 ====================
if self.state not in [MissionState.INIT, MissionState.ARMING, MissionState.FINISHED]:
if self.drone.current_mode != 'OFFBOARD':
print(f"\n🚨 [熔断保护] 检测到飞控退出自控模式!当前模式为: {self.drone.current_mode}")
print("🚨 任务管理器瞬间拉断,上位机停止发送所有控制流,完全交由安全员接管!")
raise FailsafeTriggered("安全员强行越权接管,自控流程熔断")
# 1. 专属安全熔断机制:一旦检测到场外安全员切回手动模式,立即熔断
if self.drone.current_mode not in ['GUIDED', 'OFFBOARD'] and self.state != MissionState.INIT:
print(f"\n⚠️ [安全熔断] 检测到飞控退出自动控制模式(当前模式: {self.drone.current_mode})!上位机状态机退出。")
self.state = MissionState.FINISHED
return False
# ==================== 2. 状态机业务分支 ====================
# --- STATE: INIT ---
# 2. 状态机逻辑分支
if self.state == MissionState.INIT:
if self.drone.is_connected:
# PX4 要求:在切入 OFFBOARD 模式之前,上位机必须已经开始流式下发位置/速度期望包,
# 否则飞控会拒绝切换模式。此处我们在原位流式灌入当前局部坐标作为活性维持。
cx, cy, cz = self.drone.local_position
self._stream_target_position(cx, cy, cz, self.drone.yaw)
print("\n[状态] 飞控通信正常,正在向 PX4 流式下发原位期望以激活控制链路...")
print("[动作] 正在向飞控请求切换至 OFFBOARD 模式并解锁...")
if self.drone.set_mode('OFFBOARD'):
# 假设底层接口 drone.arm() 会发送解锁包并等待确认
if self.drone.arm():
print("\n[通信成功] 无人机已连接,准备记录起始点并解锁...")
# 记录解锁时的局部位置作为 Home 点
hx, hy, _ = self.drone.local_position
self.home_x = hx
self.home_y = hy
self.state = MissionState.ARMING
else:
print("\r[状态] 等待飞控 MAVLink 串口通信建立...", end="", flush=True)
print("\r[等待中] 等待飞控心跳连接...", end="", flush=True)
# --- STATE: ARMING ---
elif self.state == MissionState.ARMING:
# 持续流式下发当前点,防模式闪退
cx, cy, cz = self.drone.local_position
self._stream_target_position(cx, cy, cz, self.drone.yaw)
if self.drone.is_armed and self.drone.current_mode == 'OFFBOARD':
print("\n[成功] 飞控已成功解锁,且处于 OFFBOARD 模式。开始执行平滑虚拟起飞流程...")
print("\r[指令下发] 正在尝试解锁电机...", end="", flush=True)
if self.drone.is_armed:
print("\n[成功] 电机已解锁!准备切入控制模式并起飞。")
# 引导无人机切入 GUIDED 或 OFFBOARD
target_mode = 'OFFBOARD' if 'PX4' in getattr(self.drone, 'firmware_type', 'PX4') else 'GUIDED'
self.drone.set_mode(target_mode)
self.state = MissionState.TAKEOFF
else:
self.drone.arm()
time.sleep(0.5)
# --- STATE: TAKEOFF (虚拟航点平滑起飞) ---
elif self.state == MissionState.TAKEOFF:
# PX4 泛用性最强的起飞:发送原地 (0, 0) 坐标,配合目标负高度值
self._stream_target_position(0.0, 0.0, self.target_altitude, 0.0)
# 虚拟/流式起飞:高频下发起飞期望高度,维持链路活性
self.drone.send_target_position(self.home_x, self.home_y, self.target_altitude, 0)
# 计算距离起飞航点的距离
dist = self.calculate_distance(0.0, 0.0, self.target_altitude)
print(f"\r[起飞中] 目标高度: {-self.target_altitude:.2f}m | 当前距离起飞点: {dist:.2f}m", end="",
flush=True)
if dist <= self.arrival_radius:
print(f"\n[完成] 虚拟起飞安全到达目标高度!开始按顺序巡航。总计航点数: {len(self.waypoints)}")
# 判定是否到达起飞高度
_, _, curr_z = self.drone.local_position
if abs(curr_z - self.target_altitude) < self.arrival_radius:
print(f"\n[完成] 已到达安全起飞高度: {abs(curr_z):.2f}m。开始巡航任务...")
if len(self.waypoints) > 0:
self.current_wp_index = 0
self.state = MissionState.NAVIGATING
else:
print("⚠️ 警告: 航点列表为空!")
if self.return_to_home:
self.state = MissionState.RETURNING
else:
self.state = MissionState.HOLD_FINAL
else:
print(f"\r[起飞中] 当前高度: {abs(curr_z):.2f}m / 目标: {abs(self.target_altitude):.2f}m", end="",
flush=True)
# --- STATE: NAVIGATING (航点巡航导航) ---
elif self.state == MissionState.NAVIGATING:
wp = self.waypoints[self.current_wp_index]
# 流式下发当前期望的绝对 NED 坐标与偏航角(激活PX4控制环并防止失控刹车)
self._stream_target_position(wp['x'], wp['y'], wp['z'], wp['yaw'])
# “零期望命令”防失控刹车:流式高频持续推流当前目标点
self.drone.send_target_position(wp['x'], wp['y'], wp['z'], wp['yaw'])
dist = self.calculate_distance(wp['x'], wp['y'], wp['z'])
print(
f"\r[巡航中] 正在前往航点 [{self.current_wp_index + 1}/{len(self.waypoints)}] | 剩余距离: {dist:.2f}m",
end="", flush=True)
dist = self.get_distance(wp)
print(f"\r[任务中] 正在飞往航点 [{self.current_wp_index + 1}] | 剩余距离: {dist:.2f}m", end="", flush=True)
if dist <= self.arrival_radius:
print(f"\n[到达] 成功进入航点 [{self.current_wp_index + 1}] 容差圈!开始执行就地悬停任务...")
if dist < self.arrival_radius:
print(f"\n[到达] 已精准触达航点 [{self.current_wp_index + 1}],开启原地任务阶段。")
self.hold_start_time = time.time()
self.state = MissionState.HOLD_TASK
# --- STATE: HOLD_TASK (到达航点后的原地任务悬停/拍照) ---
elif self.state == MissionState.HOLD_TASK:
wp = self.waypoints[self.current_wp_index]
# 即使在原地停留/拍照,上位机也绝对不能“闭嘴”,必须以 5Hz 持续锁定该点坐标
self._stream_target_position(wp['x'], wp['y'], wp['z'], wp['yaw'])
# 悬停期间同样高频重发当前坐标,让飞控稳定在原地
self.drone.send_target_position(wp['x'], wp['y'], wp['z'], wp['yaw'])
elapsed = time.time() - self.hold_start_time
print(
f"\r[任务中] 航点 [{self.current_wp_index + 1}] 原地执行中... 已耗时: {elapsed:.1f}s / {self.hold_duration}s",
f"\r[任务中] 航点 [{self.current_wp_index + 1}] 原地悬停检测中... 已耗时: {elapsed:.1f}s / {self.hold_duration}s",
end="", flush=True)
if elapsed >= self.hold_duration:
print(f"\n[完成] 航点 [{self.current_wp_index + 1}] 停留时间结束。")
print(f"\n[完成] 航点 [{self.current_wp_index + 1}] 任务执行完毕。")
# 切换下一个点
self.current_wp_index += 1
if self.current_wp_index < len(self.waypoints):
self.state = MissionState.NAVIGATING
else:
print("\n[巡视完毕] 所有计划航点均已完成!准备进入返航/降落切换阶段。")
if self.return_home:
self.state = MissionState.RETURNING
# 【核心修改点】所有航点巡视完毕,根据参数决定去向
if self.return_to_home:
print("\n[完成] 所有航点均已巡视完毕!准备返航起始点。")
self.state = MissionState.RETURNING
else:
print("\n[完成] 所有航点均已巡视完毕![设置] 不执行返航,就地保持悬停。")
self.state = MissionState.HOLD_FINAL
# --- STATE: RETURNING ---
elif self.state == MissionState.RETURNING:
# 持续发送当前点维持链路
cx, cy, cz = self.drone.local_position
self._stream_target_position(cx, cy, cz, self.drone.yaw)
# 飞回记录的 Home 起始点高度位置
self.drone.send_target_position(self.home_x, self.home_y, self.home_z, 0)
print("\n[降落中] 正在向 PX4 下发自动降落指令 (AUTO.LAND)...")
# 提示:PX4 固件的标准降落模式名称通常为 'AUTO.LAND' 或 'LAND',依底层驱动映射而定
if self.drone.set_mode('AUTO.LAND') or self.drone.set_mode('LAND'):
dist_to_home = math.sqrt((self.home_x - self.drone.local_position[0]) ** 2 +
(self.home_y - self.drone.local_position[1]) ** 2)
print(f"\r[返航中] 正在飞回起始点位置 | 剩余水平距离: {dist_to_home:.2f}m", end="", flush=True)
if dist_to_home < self.arrival_radius:
print("\n[到达] 已安全返回起始点上方。正在下发自动降落指令 (LAND)...")
if self.drone.set_mode('LAND'):
self.state = MissionState.LANDING
else:
print("⚠️ 切换降落模式失败,正在高频重试...")
print("⚠️ 降落模式切换失败,正在重新下发...")
elif self.state == MissionState.HOLD_FINAL:
# 【新增状态】不返航时的原地最终悬停状态
# 锁定在最后一个航点,持续高频推流,维持控制链路,防止 Failsafe 刹车
final_wp = self.waypoints[-1] if self.waypoints else {'x': self.home_x, 'y': self.home_y,
'z': self.target_altitude, 'yaw': 0}
self.drone.send_target_position(final_wp['x'], final_wp['y'], final_wp['z'], final_wp['yaw'])
print(
f"\r[挂起] 无人机保持在最终航点悬停。坐标:({final_wp['x']}, {final_wp['y']}, {final_wp['z']}) | 等待人工接管中...",
end="", flush=True)
# --- STATE: LANDING ---
elif self.state == MissionState.LANDING:
# 进入飞控原生 LAND 模式后,控制权已交还给飞控底层,此时上位机可以安全停止控制包输出了。
print("\r[降落中] 正在等待飞控触地并自动上锁...", end="", flush=True)
# 判断是否已经安全着陆并自动上锁
if not self.drone.is_armed:
print("\n[完成] 无人机已安全着陆并自动锁桨!任务圆满结束。")
print("\n[完成] 无人机已安全着陆并自动上锁,任务圆满结束!")
self.state = MissionState.FINISHED
else:
print("\r[降落中] 正在下降着陆中...", end="", flush=True)
# --- STATE: FINISHED ---
elif self.state == MissionState.FINISHED:
return True
return False
return True
+31 -42
View File
@@ -1,58 +1,47 @@
import time
from drone_controller.base_control import DroneController
from drone_controller.mission_manager import MissionManager
from drone_controller.mission_manager import MissionManager, FailsafeTriggered
def main():
# 1. 实例化飞控底层驱动 SDK
# 注意:根据现场情况修改你的串口和波特率
drone = DroneController(connection_string='/dev/ttyUSB0', baud=115200)
try:
# 启动底层数据链连接与异步状态遥测线程
drone.connect()
# 2. 规划室内巡点航点列表 (NED 相对局部坐标系)
# 规则说明:X-北为正, Y-东为正, Z-向下为正(所以想要在 1.5 米高度飞,Z 必须为 -1.5)
# yaw:偏航角角度(0-360度),0代表正北
my_waypoints = [
{'x': 1.0, 'y': 0.0, 'z': -1.5, 'yaw': 0}, # 点1:向正前方推进1米
{'x': 1.0, 'y': 1.0, 'z': -1.5, 'yaw': 90}, # 点2:保持前推,向右平移1米,机头偏向正东
{'x': 0.0, 'y': 1.0, 'z': -1.5, 'yaw': 180}, # 点3:倒飞回起点水平线,机头朝向正南
{'x': 0.0, 'y': 0.0, 'z': -1.5, 'yaw': 270} # 点4:返回起飞原点,机头朝向正西
# 1. 定义室内台架或室内试验场的相对局部航点 (X=北, Y=东, Z=地, yaw=偏航角)
# 注意:NED 坐标系下,Z轴向上为负数!
flight_waypoints = [
{'x': 1.0, 'y': 0.0, 'z': -1.5, 'yaw': 0}, # 航点 1:向前 1 米,维持高度 1.5 米
{'x': 1.0, 'y': 1.0, 'z': -1.5, 'yaw': 90}, # 航点 2:向右平移 1 米,机头转向正东
{'x': 0.0, 'y': 0.0, 'z': -1.2, 'yaw': 0}, # 航点 3:回到原点上方,高度降到 1.2 米
]
# 3. 初始化任务管理器模块
mission = MissionManager(
drone=drone,
waypoints=my_waypoints,
target_altitude=1.5, # 自动起飞高度 1.5 米
arrival_radius=0.25, # 判定到点的欧氏距离误差阈值锁定在 25 厘米以内
hold_duration=4.0 # 每个点到达后悬停停留 4 秒
)
print("\n================ 自动巡点系统就绪 ================")
print("提示: 现场安全员请时刻保持遥控器手柄在握,一旦发生异常,切出控制模式即可随时越权人工接管。")
print("================================================\n")
def main():
# 2. 初始化底层 SDK 驱动
uav = DroneController(connection_string='/dev/ttyUSB0', baud=115200)
if not uav.connect():
print("物理串口打开失败,请检查数传连接或端口权限。")
return
# 4. 高频业务轮询主循环
# 3. 实例化任务管理器 (设置到达半径为0.3米,每个点悬停3秒)
manager = MissionManager(drone=uav, waypoints=flight_waypoints, target_altitude=1.5, arrival_radius=0.3,
hold_duration=3.0)
print("=================== 巡航控制系统启动 ===================")
try:
# 高频业务控制主循环 (10Hz)
while True:
# 驱动任务状态机
is_mission_finished = mission.update()
if is_mission_finished:
print("\n[通知] 主程序检测到巡航任务模块已正常运行结束,退出程序。")
# 轮询状态机
is_finished = manager.update()
if is_finished:
print("=================== 整个巡航任务已安全退出 ===================")
break
# 20Hz 的控制频率(50ms一拍),既能保证位置控制实时下发,又不会拖垮处理器
time.sleep(0.05)
time.sleep(0.1) # 严格的 10Hz 轮询,配合管理器内部 5Hz 下发,完美防失控
except FailsafeTriggered as e:
# 4. 最强安全保护:一旦遥控器切出模式,代码在这里捕获,直接结束整个 Python 进程
print(f"\n🚨 [主循环紧急熔断] 系统安全退出: {e}。香橙派已处于安全挂起状态,不占用串口输出。")
except KeyboardInterrupt:
print("\n🛑 用户手动中止程序 (Ctrl+C)!正在触发紧急安全退出。")
print("\n用户手动通过 Ctrl+C 终止了上位机脚本。")
finally:
# 5. 清理与释放资源
print("[清理] 正在关闭后台遥测数据链线程...")
drone.disconnect()
print("[清理] 程序已安全解脱。")
uav.running = False # 销毁并关闭底层遥测监听守护线程
if __name__ == '__main__':
main()