reComputer JetsonでPX4を制御する

reComputer Mini J3010 (Jetson Orin Nano 4G) のような高性能コンパニオンコンピュータと PX4フライトコントローラ を組み合わせることで、自律走行車、ボート、ドローンを含む幅広いインテリジェント無人システムのコアアーキテクチャが構築されます。この強力な組み合わせにより、物流、科学研究、捜索救助、精密農業などの分野で革新的なアプリケーションが実現されます。

このセットアップにより、視覚ナビゲーション、物体追跡、リアルタイム障害物回避などの複雑なオンボードタスクが可能になります。これら2つの「頭脳」間の通信リンクは、システム全体のパフォーマンスと信頼性にとって重要です。

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学習内容

• JetsonをPixhawkに物理的に接続する方法。
• uXRCE-DDS、MAVSDK、MAVROSの長所と短所。
• 3つの通信方法すべてのステップバイステップセットアップ手順。
• 接続を確認し、一般的な問題をトラブルシューティングする方法。

前提条件

開始する前に、以下を確認してください：

• ハードウェア: 下記の「実験環境」表に記載されているすべてのデバイス。
• ソフトウェア: Jetson Pack 6.2とROS 2 Humbleの新規インストール。
• ツール: Jetsonにgitとpipがインストールされていること。
• 知識: Linuxコマンドライン、ROS 2の概念（ノード、トピック）、QGroundControlでのPX4パラメータの基本的な知識。

システム構成

実験環境

コンポーネント	デバイス/ソフトウェア	バージョン/モデル
コンパニオンコンピュータ	デバイス	reComputer Mini J3010 (Jetson Orin Nano 4G)
	OS	Ubuntu 22.04 (JetPack 6.2)
	ROS	ROS 2 Humble
フライトコントローラ	MCU	Pixhawk 4 Mini
	ファームウェア	PX4 v1.15
地上局PC	OS	Ubuntu 22.04
	QGC	QGroundControl v5.0以上

ハードウェア接続

Jetsonのネイティブ UARTを使用することを強く推奨します。これにより、USBポートを占有しない堅牢な接続が実現できます。

• 配線: 4ピンJST-GHケーブルを使用して、**Pixhawk 4 MiniのTELEM1ポートをJetson Orin NanoのUART1**ヘッダーに接続します。
• デバイスファイル: このシリアルポートは、JetsonのOSでは/dev/ttyTHS1に対応します。

Pixhawk 4 Miniのポート／ピン配置の詳細（クリックして展開）

UART	デバイス	QGCパラメータの説明	FC上のポートラベル
UART1	/dev/ttyS0	GPS1	GPSモジュール
USART2	/dev/ttyS1	TELEM1	TELEM1
USART3	/dev/ttyS2	TELEM2	なし
UART4	/dev/ttyS3	TELEM/SERIAL4	UART/I2C B
USART6	/dev/ttyS4	なし	RC IN
UART7	/dev/ttyS5	なし	デバッグ
UART8	/dev/ttyS6	なし	未接続（PX4IOなし）

TELEM1 / TELEM2 ポート

ピン	信号	電圧
1（赤）	VCC	+5V
2（黒）	TX（出力）	+3.3V
3（黒）	RX（入力）	+3.3V
4（黒）	CTS（入力）	+3.3V
5（黒）	RTS（出力）	+3.3V
6（黒）	GND	GND

DSM RC ポート

ピン	信号	電圧
1（なし）	VDD_5V_SBUS_RC	+5V
2（黄）	SBUS*	+3.3V
3（なし）	RSSI**	+3.3V
4（赤）	VDD_3V3_SPEKTRUM	+3.3V
5（黒）	GND	GND

UART & I2C B ポート *

ピン	信号	電圧
1（赤）	VCC	+5V
2（黒）	TX（出力）	+3.3V
3（黒）	RX（入力）	+3.3V
4（黒）	SCL2	+3.3V
5（黒）	SDA2	+3.3V
6（黒）	GND	GND

SBUS RC ポート

ピン	信号	電圧
1（赤）	VDD_5V_SBUS_RC	+5V
2（黄）	SBUS*	+3.3V
3（なし）	RSSI**	+3.3V
4（なし）	VDD_3V3_SPEKTRUM	+3.3V
5（黒）	GND	GND

---

脚注:

• （UART & I2C B ポート）: シリアル通信やI2Cをサポートするセンサーを接続するための予備ポート。例：2基目のGPSモジュールなど。
• （SBUS信号）: SBUSまたはDSM/Spektrumレシーバーの信号線をここに接続します。
• （RSSI信号）: RC信号強度情報をオートパイロットへ送信します。

重要: シリアルポートの権限設定

すべてのシリアルコマンドで sudo を使うのを避けるには、ユーザーを dialout グループに追加する必要があります。これは一度だけ行う重要な設定です。

sudo usermod -a -G dialout $USER

この変更を反映させるには、Jetsonを再起動する必要があります。

方法の選び方：比較

作業に入る前に、トレードオフを理解しましょう。最適な選択はプロジェクトの目的によって決まります。

特徴	uXRCE-DDS（ROS 2ネイティブ）🚀	MAVSDK（高レベルAPI）🐍	MAVROS（ROSブリッジ）🌉
アーキテクチャ	PX4とROS 2がDDSデータ空間を共有し、ネイティブ通信を実現。	ラッパー付きのスタンドアロンC++ライブラリで高レベルAPIを提供。	MAVLinkプロトコルをROSのトピック／サービスへ変換するブリッジ／ゲートウェイ。
性能	最高。ゼロコピーで最小レイテンシ。	高い。API呼び出しが効率的なMAVLinkメッセージを直接生成。	良好。MAVLink→ROS変換レイヤ由来の軽微なオーバーヘッドあり。
使いやすさ	中程度。Agentとpx4_msgsのビルドが必要。	最も簡単。関数ベースで直感的。素早いプロトタイピングに最適。	学習コストは高いが、ROSエコシステムとの統合が最も深い。
柔軟性	優秀。PX4内部（uORB）の全トピックへ直接アクセス可能。	限定的。離陸やウェイポイントなど一般的操作は可、rawデータは不可。	優秀。ほぼ全てのMAVLinkメッセージ／パラメータ／サービスへアクセス可。
ROS統合	ROS 2ネイティブ。公式で将来性のある方法。	ROSに非依存。どのプロジェクトでも利用可、ROSノードで包むのも容易。	ROS中心。ROS 1のデファクトで、ROS 2でも広く利用。
ユースケース	低レベルデータへのアクセスが必要な性能重視のROS 2案件。	タスクレベルのスクリプト、試作、非ROS案件、教育用途。	Nav2やMoveItなどと統合する複雑なROSシステム。

方法1：uXRCE-DDS（ROS 2ネイティブ統合）

PX4の内部メッセージング uORB をROS 2ネットワークへ直接ブリッジし、オーバーヘッド無しの通信を実現するPX4公式の解決策です。

ステップ1：Micro XRCE-DDS Agentのコンパイル

AgentはJetson上で動作する軽量プログラムで、フライトコントローラのシリアル接続とROS 2ネットワークの仲介役を担います。

Jetsonのターミナル

# 1. Agentリポジトリの特定バージョンをクローン
cd ~
git clone -b v2.4.2 https://github.com/eProsima/Micro-XRCE-DDS-Agent.git
cd Micro-XRCE-DDS-Agent

# 2. 重要：Fast-DDS依存バージョンをパッチ
# fastddsのv2.12.xタグはベンダにより削除されたため、動作する版へ更新
sed -i 's/v2.12.x/v2.13.x/g' SuperBuild.cmake

# 3. Agentをビルドしてインストール
mkdir build && cd build
cmake ..
make
sudo make install # MicroXRCEAgentをグローバルにインストール

ステップ2: px4_msgs ROS 2パッケージをビルドする

ROS 2がPX4のトピックを理解できるよう、メッセージ定義をビルドします。

Jetsonのターミナル

# 1. ROS 2ワークスペースを作成
mkdir -p ~/px4_ros_ws/src
cd ~/px4_ros_ws/src

# 2. 必要なリポジトリをクローン
git clone https://github.com/PX4/px4_msgs.git
git clone https://github.com/PX4/px4_ros_com.git # サンプルを含む

# 3. 利用中のファームウェアに一致するブランチへチェックアウト
cd px4_msgs
git checkout release/1.15

# 4. ワークスペースをビルド
cd ~/px4_ros_ws
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build

ハードウェア互換性（uXRCE-DDS 用）

px4_msgs のバージョンは、PX4 ファームウェアのバージョンと必ず一致している必要があります。これは互換性のために非常に重要です。

さらに、PX4 ファームウェア v1.14 以降で標準となった uXRCE-DDS による完全なネイティブ ROS 2 サポートを利用するには、2MB のフラッシュメモリを搭載したフライトコントローラ（本ガイドで使用している Pixhawk 4 Mini など）が必要です。

古いクラシックハードウェア、たとえばよく使われる Pixhawk 2.4.8（およびその他の FMUv2 ベースのボード）はフラッシュメモリが 1MB しかなく、この方法に必要な標準のプリビルドファームウェアを実行できません。理論的にはカスタムで削減版ファームウェアを作ることも可能ですが、非常に複雑です。

もし Pixhawk 2.4.8 やその他 1MB フラッシュのボードを使用している場合、この方法はスキップし、代わりに 方法 2 (MAVSDK) または 方法 3 (MAVROS) を使用することを強くお勧めします。これらは MAVLink プロトコルを使用しており、あなたのハードウェアで完全にサポートされています。

info

px4_msgs のブランチは、PX4 ファームウェアのバージョンと一致している必要があります。これによりメッセージ定義の互換性が保証されます。

ステップ3：PX4ファームウェアの設定

QGroundControlに接続し、以下のパラメータを設定します：

1. UXRCE_DDS_CFG：TELEM1に設定（当該ポートでXRCE-DDSクライアントを有効化）。
2. SER_TEL1_BAUD：921600 8N1に設定。
3. MAV_1_CONFIG：Disabledに設定（同一ポートでのMAVLink競合を防止）。
4. パラメータを保存し、フライトコントローラを再起動。

ステップ4：起動と確認

1. JetsonでAgentを起動（1つ目のターミナル）：

   ターミナル1：Agentの実行

   MicroXRCEAgent serial --dev /dev/ttyTHS1 -b 921600

2. ROS 2トピックを確認（新しいターミナル）：

   ターミナル2：トピック確認

   # 各ターミナルでワークスペースを読み込む
   source ~/px4_ros_ws/install/setup.bash
   
   # /fmu/で始まるトピックが列挙されるはず
   ros2 topic list | grep /fmu/
   
   # トピックをエコーしてFCUからのライブデータを確認
   ros2 topic echo /fmu/out/vehicle_odometry

---

方式2：MAVSDK（高レベルAPI）

MAVSDKはMAVLinkの複雑さを抽象化し、プログラムによるドローン制御のためのシンプルでモダンなAPIを提供します。高レベルのミッションスクリプトに最適です。

ステップ1：PX4ファームウェアの設定

QGroundControlで、ポート設定をDDSからMAVLinkモードに戻します。

1. UXRCE_DDS_CFG：Disabledに戻す。
2. MAV_1_CONFIG：TELEM 1に設定（ポートをMAVLinkに割り当て）。
3. MAV_1_MODE：Onboardに設定（コンパニオン用リンク）。
4. SER_TEL1_BAUD：921600 8N1が継続していることを確認。
5. 保存してFCを再起動。

ステップ2：MAVSDK-Pythonのインストール

Jetsonのターミナル

pip3 install mavsdk

ステップ3: 制御スクリプトの作成と実行

次のPythonは接続後、（例では接続確認まで。離陸・着陸は各自で拡張可）メッセージを表示します。

takeoff_and_land.py

import asyncio
from mavsdk import System

async def run():
    # ドローンオブジェクトを作成し、フライトコントローラに接続
    drone = System()
    await drone.connect(system_address="serial:///dev/ttyTHS1:921600")

    print("ドローンの接続を待機中...")
    # 接続状態の更新を返す非同期ジェネレータ
    async for state in drone.core.connection_state():
        if state.is_connected:
            print("--> ドローンを検出しました！")
            break

if __name__ == "__main__":
    # asyncioイベントループを実行
    asyncio.run(run())

ターミナルから実行：python3 takeoff_and_land.py

---

方法3：MAVROS（強力なROSブリッジ）

MAVROSは実績あるMAVLink→ROSゲートウェイで、複雑なROSベースのシステムに包括的機能と高い安定性を提供します。

ステップ1：PX4ファームウェアの設定

MAVROS向けのPX4設定はMAVSDKと同一です。TELEM1がOnboardモードでMAVLink用に設定されていることを確認してください。

ステップ2：MAVROSと依存関係のインストール

Jetsonのターミナル

sudo apt update
sudo apt install ros-humble-mavros ros-humble-mavros-msgs

よくあるクラッシュを防ぐ！

MAVROS は座標変換のために地理データセットを必要とします。データセットがないと、起動時にクラッシュする一般的な原因となります。このスクリプトはそれをダウンロードしてインストールします。

Jetson のターミナル

sudo bash /opt/ros/humble/lib/mavros/install_geographiclib_datasets.sh 

ステップ3: 起動と検証

1. MAVROSノードを起動:

   ターミナル1：MAVROSを起動

   source /opt/ros/humble/setup.bash
   
   # パラメータでFCU接続URLを指定してmavrosを起動
   ros2 launch mavros px4.launch fcu_url:="serial:///dev/ttyTHS1:921600"

2. 接続を検証:

   新しいターミナルでMAVROSのステートトピックをエコー。

   ターミナル2：接続確認

   ros2 topic echo /mavros/state

   出力を確認し、connected フィールドが true になればPX4と正常に通信しています。

---

よくある問題のトラブルシューティング

問題が発生した場合は、まずこちらを確認してください。

• シリアルポートで「Permission Denied」: ユーザーをdialoutグループへ追加＆再起動を忘れている可能性。上記「ハードウェア接続」を参照。
• /dev/ttyTHS1で「No such file or directory」: 物理配線を再確認。FCの電源は入っていますか？ls /dev/ttyTHS*でデバイス名を確認。
• MAVROSが起動時にクラッシュ: install_geographiclib_dataset.sh を未実行の可能性。方法3のコマンドを実行。
• colcon build が失敗: まず source /opt/ros/humble/setup.bash を実行してROS 2環境を読み込む。依存関係が複雑な場合は rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y を検討。

最後に

これで、Jetson OrinとPX4フライトコントローラ間の通信を実現する3つの強力な方法を理解できました。最適解はプロジェクトのアーキテクチャ、要求性能、開発スピードによって異なります。トレードオフを理解し、堅牢な基盤を構築しましょう。

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