Pixhawk 的通訊協定與生態系

 介紹 Pixhawk 的通訊協定與生態系。

Pixhawk 是一個 широко використовуваний (widely used) 的開源硬體專案，它定義了一系列的飛行控制器硬體標準。然而，提到 Pixhawk 的「通訊協定」，實際上最核心且關鍵的便是 MAVLink (Micro Air Vehicle Link) 協定。

MAVLink 通訊協定

MAVLink 是一種輕量級、高效能的通訊協定，專為無人飛行載具 (UAV) 和地面控制站 (GCS) 之間，以及飛行器內部各個組件之間的通訊而設計。它具有以下主要特點：

• 輕量級且高效： MAVLink 1 的每個封包僅有 8 位元組的額外開銷，MAVLink 2 則為 14 位元組。這種低 overhead 的設計非常適合頻寬受限的通訊環境。
• 可靠性高： 自 2009 年以來，MAVLink 已在各種具有挑戰性的通訊通道（例如高延遲、雜訊）中被廣泛使用，並具備封包遺失偵測、資料損毀檢查和封包驗證等功能。
• 多語言和跨平台支援： MAVLink 的訊息格式定義在 XML 檔案中，並可透過工具自動產生多種程式語言（例如 C、C++、Python、Java 等）的函式庫，使其能夠在不同的作業系統和硬體平台上運行。
• 支援多個並行系統： 單一網路上最多可容納 255 個並行系統（例如飛行器、地面站等）。
• 支援機載 (onboard) 和場外 (offboard) 通訊： 可用於地面站與無人機之間的通訊，也可整合飛行器內部的各個組件（例如飛控、相機、酬載等）。
• 主題模式 (Publish-Subscribe) 和點對點通訊： 支援廣播式的主題模式，以及使用目標系統和組件 ID 的點對點通訊，以實現高效的資料傳輸和控制。

MAVLink 協定定義了大量的訊息類型，涵蓋了飛行器的各種狀態資訊（例如姿態、位置、速度、電池電量等）、控制指令、任務規劃、參數設定、感測器資料等等。這使得不同的軟硬體組件能夠以標準化的方式進行溝通和協作。

Pixhawk 生態系

Pixhawk 不僅僅是一個硬體規範，更發展出一個龐大且活躍的生態系統，包含了各種硬體、軟體和服務：

1. 硬體 (Hardware):

• 飛行控制器 (Flight Controllers): 許多不同的製造商根據 Pixhawk 標準生產各種型號的飛行控制器，例如 Holybro、CUAV、mRo 等。這些控制器具有不同的處理器效能、感測器配置和介面數量，以滿足不同應用場景的需求。
• 感測器 (Sensors): 豐富多樣的感測器與 Pixhawk 飛行控制器相容，包括 GPS、IMU (慣性測量單元)、磁力計、氣壓計、空速計、光流感測器、雷射/超音波測距儀等。
• 通訊模組 (Communication Modules): 各種通訊模組用於實現地面站與飛行器之間的無線通訊，例如數傳電台 (telemetry radios，例如 SiK Telemetry)、Wi-Fi 模組、蜂窩網路模組等。這些模組通常使用 MAVLink 協定進行資料傳輸。
• 動力系統 (Power Systems): 電源模組 (power modules) 用於向飛行控制器和機載設備供電，並通常包含電壓和電流感測功能，可透過 MAVLink 回傳相關資訊。
• 執行器 (Actuators): 電子調速器 (ESCs) 用於控制馬達轉速，舵機 (servos) 用於控制飛行器的舵面和其他可動部件。這些通常透過 PWM 或其他協定與 Pixhawk 飛行控制器連接。
• 酬載 (Payloads): Pixhawk 生態系支援各種酬載設備，例如相機、雲台、機械手臂等。這些酬載通常可以透過 MAVLink 進行控制和資料交換。
• 機載電腦 (Companion Computers): 例如 Raspberry Pi、NVIDIA Jetson 等單板電腦，可以與 Pixhawk 飛行控制器連接，執行更複雜的任務，例如自主導航、影像處理、AI 運算等，並透過 MAVLink 與飛控進行通訊。

2. 軟體 (Software):

• 飛行韌體 (Flight Firmware): 最主要的飛行韌體是 PX4 Autopilot 和 ArduPilot。這兩個開源專案都廣泛支援 Pixhawk 硬體，並實作了 MAVLink 協定，提供豐富的飛行模式、自動控制功能和可配置的參數。
• 地面控制站 (Ground Control Stations - GCS): 例如 QGroundControl、Mission Planner 等軟體，運行在地面端的電腦或行動裝置上，透過 MAVLink 協定與飛行器通訊，實現飛行監控、任務規劃、參數調整、日誌分析等功能。
• 開發工具與函式庫 (Development Tools and Libraries): 針對 MAVLink 協定，有許多開源的函式庫和工具，方便開發者在不同的平台上開發應用程式，例如 MAVSDK (MAVLink Software Development Kit)。
• 模擬器 (Simulators): 例如 Gazebo、SITL (Software-In-The-Loop) 等模擬環境，可以讓開發者在虛擬環境中測試飛行演算法和應用程式，並透過 MAVLink 與模擬的飛行控制器進行互動。
• 作業系統 (Operating Systems): 許多機載電腦會運行 Linux 作業系統（例如 Ubuntu），並搭配 ROS (Robot Operating System) 等機器人軟體框架，以便更方便地整合各種軟硬體組件並進行複雜的開發。

3. 服務與社群 (Services and Community):

• 文件 (Documentation): PX4 和 ArduPilot 都有完善的官方文件，詳細介紹了硬體連接、軟體設定、參數說明和開發指南。
• 社群論壇 (Community Forums): 活躍的社群論壇提供了一個平台，讓使用者和開發者可以互相交流、尋求協助和分享經驗。
• 開發者生態 (Developer Ecosystem): 許多公司和個人基於 Pixhawk 和 MAVLink 開發各種硬體模組、軟體應用和服務，進一步豐富了整個生態系統。

總而言之，Pixhawk 的通訊協定核心是 MAVLink，它 забезпечує (ensures) 了飛行器及其組件之間標準化且高效的溝通。而 Pixhawk 生態系則是一個龐大且持續成長的社群和產業體系，提供了豐富的硬體選擇、強大的開源軟體支援和活躍的開發者社群，使得開發和應用無人飛行載具變得更加容易和普及。

UAV and Pixhawk

進一步說明 UAV 和 Pixhawk 之間的關係：

UAV (Unmanned Aerial Vehicle，無人航空載具) 是指任何沒有機載飛行員的航空器。這是一個非常廣泛的術語，涵蓋了各種尺寸、形狀和功能的飛行器，從小型四軸飛行器到大型無人機都有。

Pixhawk 則是一個開源硬體專案，它定義了無人機飛行控制器 (flight controller) 的硬體標準。簡單來說，Pixhawk 提供了一個硬體設計的藍圖和規範，讓不同的製造商可以生產與之相容的飛行控制器。因此，您會看到市面上許多不同品牌和型號的飛行控制器都以 "Pixhawk" 命名，或者聲稱與 Pixhawk 標準相容。

它們之間的關係可以這樣理解：

1. Pixhawk 是 UAV 的一個重要組成部分： 飛行控制器是 UAV 的「大腦」，負責接收感測器資料、執行飛行控制演算法、並輸出控制指令給馬達、舵機等執行器，以實現飛行穩定和自主功能。Pixhawk 提供了一個標準化的硬體平台，讓開發者可以更容易地為各種 UAV 打造功能強大的飛行控制系統。

2. Pixhawk 定義了硬體標準，促進了生態系統的發展： 由於 Pixhawk 是開源的，並且被廣泛採用，因此形成了一個龐大的生態系統。這個生態系統包含了各種與 Pixhawk 相容的硬體（例如感測器、通訊模組、電源模組等）和軟體（例如 PX4 Autopilot、ArduPilot 飛行韌體、QGroundControl 地面站軟體等）。

3. MAVLink 是 Pixhawk 生態系統中主要的通訊協定： 正如先前介紹的，MAVLink (Micro Air Vehicle Link) 是一種輕量級、高效能的通訊協定，專為無人飛行載具而設計。Pixhawk 飛行控制器及其相容的硬體和軟體，例如地面站，廣泛使用 MAVLink 進行資料交換和控制指令的傳輸。因此，MAVLink 可以說是連接 UAV 各個組件以及 UAV 與地面站之間的「語言」。

4. PX4 Autopilot 和 ArduPilot 是在 Pixhawk 硬體上運行的主要飛行韌體： 這兩個開源的飛行韌體專案都完全支援 Pixhawk 標準，並提供了豐富的飛行模式、自主功能和可配置的參數，使得開發者能夠在基於 Pixhawk 的 UAV 上實現各種複雜的應用。

總結來說：

• UAV 是一個廣泛的概念，指稱所有無人駕駛的飛行器。
• Pixhawk 是一個特定的開源硬體標準，用於製造 UAV 的飛行控制器。許多 UAV 都採用基於 Pixhawk 標準的飛行控制器。
• MAVLink 是 Pixhawk 生態系統中用於通訊的主要協定，讓 UAV 的各個組件以及 UAV 與地面站之間能夠互相溝通。
• PX4 Autopilot 和 ArduPilot 是在 Pixhawk 硬體上運行的主要開源飛行韌體，賦予 UAV 智慧控制能力。