Автономные миссии

Автономные миссии и MAVLink

Цель занятия: обучающиеся собирают автономную миссию с условиями прерывания и проверяют её в SITL, включая сценарии отказа.

Автономная миссия — это описанный заранее маршрут плюс условия, при которых он прерывается. Вторая часть важнее первой: маршрут без условий прерывания — это аппарат, который продолжит выполнять план, что бы ни случилось.

MAVLink: язык общения с аппаратом

MAVLink — протокол, на котором наземная станция, бортовой компьютер и автопилот разговаривают друг с другом. В отличие от CRSF, который передаёт только положения стиков, MAVLink передаёт сообщения со смыслом: «лети в точку», «сообщи заряд», «переключись в режим возврата».

Свойство	CRSF	MAVLink
Что передаёт	16 чисел — положения органов управления	Именованные сообщения с параметрами
Направление	В основном от пульта к аппарату	Двусторонний обмен
Кто отправляет	Пульт	Наземная станция, бортовой компьютер, скрипт
Уровень команд	«Стик на 60 %»	«Лети в точку 55.7558, 37.6173 на высоте 50 м»

Типовые сообщения:

Сообщение	Смысл
`HEARTBEAT`	«Я жив», раз в секунду. Пропал — связь потеряна
`GLOBAL_POSITION_INT`	Текущие координаты и высота
`SYS_STATUS`	Заряд, напряжение, состояние систем
`MISSION_ITEM`	Одна точка маршрута
`COMMAND_LONG`	Команда: взлёт, посадка, смена режима

HEARTBEAT — та же идея, что таймаут в CRSF. Обе системы построены на одном принципе: связь считается живой, только пока приходят сообщения. Молчание — это не «всё спокойно», а сигнал аварии. Этот принцип встречается везде, где есть удалённое управление, и его стоит один раз понять на CRSF, чтобы дальше узнавать в любом протоколе.

Из чего состоит миссия

    flowchart TD
    T["🛫 Взлёт<br/>до заданной высоты"] --> W1["📍 Точка 1"]
    W1 --> W2["📍 Точка 2"]
    W2 --> W3["📍 Точка 3"]
    W3 --> L["🛬 Посадка / возврат домой"]
    W1 -.->|мало заряда| RTL["🏠 Возврат домой"]
    W2 -.->|потеря связи| RTL
    W3 -.->|выход за геозону| RTL

Сплошные стрелки — план. Пунктирные — условия прерывания, и именно они отличают учебную миссию от безопасной.

Обязательные условия прерывания

Условие	Типичная реакция	Почему
Заряд ниже порога	Возврат домой	Аппарат должен долететь обратно, а не упасть по пути
Потеря связи дольше N секунд	Возврат домой	Оператор потерял контроль
Выход за геозону	Остановка и возврат	Защита людей и имущества за границей зоны
Потеря GPS	Зависание или снижение	Без координат маршрут не имеет смысла
Превышение высоты	Принудительное снижение	Нарушение правил использования воздушного пространства

Порог возврата по заряду считается, а не угадывается. Нужно, чтобы оставшегося заряда хватило на обратный путь плюс запас. Если аппарат ушёл на 500 м, возврат при 20 % может оказаться поздним: на встречном ветре обратная дорога стоит дороже. Правило простое — считать по расстоянию до точки взлёта, а не по красивому круглому числу процентов.

SITL: полёт без аппарата

SITL (Software In The Loop) — запуск настоящей прошивки автопилота на компьютере, с моделируемыми датчиками и физикой. Наземная станция подключается к ней так же, как к реальному аппарату, и не видит разницы.

Что это даёт:

миссию можно прогнать целиком до того, как аппарат вообще собран;
отказы проверяются безопасно: потерю GPS или разряд можно вызвать намеренно;
ошибка в скрипте не стоит аппарата;
каждый обучающийся работает со своим «аппаратом», даже если в кабинете их два.

Запустить SITL и подключить станцию

Поднимаем симулятор автопилота, подключаем к нему QGroundControl. Проверяем, что видны телеметрия и положение.

Составить миссию

Ставим точки маршрута, задаём высоты, добавляем геозону и условия возврата.

Прогнать штатный сценарий

Запускаем миссию и смотрим, что аппарат проходит маршрут как задумано.

Сломать намеренно

Вызываем отказ: обрываем связь, «разряжаем» батарею, выводим за геозону. Проверяем, что срабатывает именно то поведение, которое задумано.

Разобрать лог

Открываем запись и находим момент срабатывания защиты. Тот же навык, что в разборе логов.

Управление из Python

Миссии можно не только рисовать в станции, но и собирать программно — через pymavlink. Здесь программирование смыкается с полётом.

from pymavlink import mavutil

# Подключение к SITL (или к реальному аппарату — меняется только строка)
master = mavutil.mavlink_connection('udp:127.0.0.1:14550')
master.wait_heartbeat()
print(f"Связь есть: система {master.target_system}")

# Читаем телеметрию
while True:
    msg = master.recv_match(type='GLOBAL_POSITION_INT', blocking=True)
    lat = msg.lat / 1e7          # координаты приходят в виде целых чисел
    lon = msg.lon / 1e7          # градусы × 10^7 — так точнее и компактнее
    alt = msg.relative_alt / 1000.0
    print(f"Координаты: {lat:.6f}, {lon:.6f}  высота {alt:.1f} м")

Почему координаты — целые числа. lat = 557558000 вместо 55.7558. Дробные числа в протоколах избегают: они занимают больше места и по-разному округляются на разных платформах. Умножение на

10^7

даёт точность около сантиметра при целочисленной арифметике. Тот же приём, что при работе с деньгами в копейках, — и хороший повод обсудить, почему float не всегда друг.

Первый безопасный скрипт

Начинать всегда с чтения, а не с команд:

# Уровень 1: только слушаем — ничего не может сломаться
msg = master.recv_match(type='SYS_STATUS', blocking=True)
print(f"Напряжение: {msg.voltage_battery / 1000.0:.2f} В")

# Уровень 2: команды — только в SITL, и только после того,
# как чтение телеметрии уверенно работает

Скрипт, отправляющий команды реальному аппарату, — это оружие. Порядок допуска: сначала чтение телеметрии, потом команды в SITL, потом команды реальному аппарату на земле с снятыми винтами, и только потом в воздухе, при живом операторе с пультом и работающим переключателем в ручной режим. Пропускать ступени нельзя.

Диагностика

Симптом	Причина	Проверка
`wait_heartbeat()` висит вечно	Неверный адрес/порт, SITL не запущен	Проверить строку подключения
Миссия не загружается	Точка вне геозоны или недостижимая высота	Проверить границы
Аппарат сразу возвращается	Условие прерывания срабатывает на старте	Проверить пороги заряда и GPS
Летит не туда	Перепутаны широта и долгота	Проверить порядок и деление на $10^7$
Команды игнорируются	Аппарат не в нужном режиме или не armed	Проверить режим и ARM

Приёмка занятия

Миссия собрана, прогнана в SITL, маршрут пройден.
Заданы и проверены срабатыванием минимум три условия прерывания.
Скрипт на Python читает телеметрию и печатает координаты и заряд.
Объясняет, почему порог возврата по заряду считается от расстояния, а не берётся круглым числом.

Настройка ПИД