Controlar PX4 com reComputer Jetson

Ao combinar um computador acompanhante de alto desempenho como o reComputer Mini J3010 (Jetson Orin Nano 4G) com um controlador de voo PX4, você cria a arquitetura central para uma ampla gama de sistemas inteligentes não tripulados, incluindo carros, barcos e drones autônomos. Essa combinação poderosa desbloqueia aplicações inovadoras em áreas como logística, pesquisa científica, busca e salvamento e agricultura de precisão.

Essa configuração permite tarefas embarcadas complexas, como navegação visual, rastreamento de objetos e desvio de obstáculos em tempo real. O link de comunicação entre esses dois “cérebros” é crítico para o desempenho geral e a confiabilidade do sistema.

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O que você vai aprender

• Como conectar fisicamente o seu Jetson a um Pixhawk.
• Os prós e contras de uXRCE-DDS, MAVSDK e MAVROS.
• Instruções passo a passo de configuração para todos os três métodos de comunicação.
• Como verificar a conexão e solucionar problemas comuns.

Pré-requisitos

Antes de começar, certifique-se de ter o seguinte:

• Hardware: Todos os dispositivos listados na tabela “Ambiente de Laboratório” abaixo.
• Software: Uma instalação nova do Jetson Pack 6.2 e do ROS 2 Humble.
• Ferramentas: git e pip instalados no seu Jetson.
• Conhecimento: Familiaridade básica com a linha de comando do Linux, conceitos de ROS 2 (nós, tópicos) e parâmetros PX4 no QGroundControl.

Configuração do Sistema

Ambiente de Laboratório

Componente	Dispositivo/Software	Versão/Modelo
Computador Acompanhante	Dispositivo	reComputer Mini J3010 (Jetson Orin Nano 4G)
	SO	Ubuntu 22.04 (JetPack 6.2)
	ROS	ROS 2 Humble
Controlador de Voo	MCU	Pixhawk 4 Mini
	Firmware	PX4 v1.15
PC da Estação de Solo	SO	Ubuntu 22.04
	QGC	QGroundControl v5.0 ou superior

Conexão de Hardware

Recomendamos fortemente usar a UART nativa do Jetson para uma conexão robusta que não ocupe uma porta USB.

• Fiação: Use um cabo JST-GH de 4 pinos para conectar a porta TELEM1 do Pixhawk 4 Mini ao conector UART1 do Jetson Orin Nano.
• Arquivo de Dispositivo: Essa porta serial corresponde a /dev/ttyTHS1 no sistema operacional do Jetson.

Detalhes de Porta e Pinout do Pixhawk 4 Mini (Clique para expandir)

UART	Dispositivo	Descrição de Parâmetro no QGC	Rótulo da Porta no FC
UART1	/dev/ttyS0	GPS1	Módulo GPS
USART2	/dev/ttyS1	TELEM1	TELEM1
USART3	/dev/ttyS2	TELEM2	N/D
UART4	/dev/ttyS3	TELEM/SERIAL4	UART/I2C B
USART6	/dev/ttyS4	N/D	RC IN
UART7	/dev/ttyS5	N/D	Depuração
UART8	/dev/ttyS6	N/D	Não conectada (sem PX4IO)

Portas TELEM1, TELEM2

Pino	Sinal	Volt
1(vermelho)	VCC	+5V
2(preto)	TX(out)	+3.3V
3(preto)	RX(in)	+3.3V
4(preto)	CTS(in)	+3.3V
5(preto)	RTS(out)	+3.3V
6(preto)	GND	GND

Porta DSM RC

Pino	Sinal	Volt
1(nulo)	VDD_5V_SBUS_RC	+5V
2(amarelo)	SBUS*	+3.3V
3(nulo)	RSSI**	+3.3V
4(vermelho)	VDD_3V3_SPEKTRUM	+3.3V
5(preto)	GND	GND

Porta UART & I2C B *

Pino	Sinal	Volt
1(vermelho)	VCC	+5V
2(preto)	TX(out)	+3.3V
3(preto)	RX(in)	+3.3V
4(preto)	SCL2	+3.3V
5(preto)	SDA2	+3.3V
6(preto)	GND	GND

Porta SBUS RC

Pino	Sinal	Volt
1(vermelho)	VDD_5V_SBUS_RC	+5V
2(amarelo)	SBUS*	+3.3V
3(nulo)	RSSI**	+3.3V
4(nulo)	VDD_3V3_SPEKTRUM	+3.3V
5(preto)	GND	GND

---

Notas de rodapé:

• (Porta UART & I2C B): Uma porta sobressalente para conectar sensores que suportam comunicação serial ou I2C; por exemplo, um segundo módulo GPS pode ser conectado aqui.
• (Sinal SBUS): Conecte aqui o fio de sinal do receptor SBUS ou DSM/Spektrum.
• (Sinal RSSI): Envia a informação de intensidade do sinal de RC para o piloto automático.

CRÍTICO: Definir Permissões da Porta Serial

Para evitar usar sudo em todos os comandos seriais, você deve adicionar seu usuário ao grupo dialout. Esta é uma configuração crítica feita apenas uma vez.

sudo usermod -a -G dialout $USER

Você deve reiniciar o Jetson para que essa alteração tenha efeito!

Escolhendo seu Método: Uma Comparação

Antes de começar, entenda os trade-offs. A escolha certa depende inteiramente dos objetivos do seu projeto.

Recurso	uXRCE-DDS (Nativo ROS 2) 🚀	MAVSDK (API de Alto Nível) 🐍	MAVROS (Ponte ROS) 🌉
Arquitetura	PX4 e ROS 2 compartilham um espaço de dados DDS para comunicação nativa.	Uma biblioteca C++ independente (com wrappers) que fornece uma API de alto nível.	Uma ponte/gateway que traduz o protocolo MAVLink para tópicos/serviços ROS.
Desempenho	Mais alto. Transferência de dados zero-copy com a menor latência.	Alto. As chamadas de API geram diretamente mensagens MAVLink eficientes.	Bom. Existe uma pequena sobrecarga devido à camada de tradução MAVLink-para-ROS.
Facilidade de Uso	Moderada. Exige compilar o Agent e px4_msgs.	Mais fácil. API intuitiva, baseada em funções, ideal para prototipagem rápida.	Curva de aprendizado íngreme, mas oferece a integração mais profunda com o ecossistema ROS.
Flexibilidade	Excelente. Fornece acesso direto a todos os tópicos internos uORB do PX4.	Limitada. Expõe ações comuns (decolagem, waypoints), mas não dados brutos.	Excelente. Acesso a praticamente todas as mensagens, parâmetros e serviços MAVLink.
Integração com ROS	ROS 2 Nativo. O método oficial e preparado para o futuro para ROS 2.	Agnóstico ao ROS. Pode ser usado em qualquer projeto, facilmente encapsulado em um nó ROS.	Cêntrico em ROS. O padrão de fato para ROS 1 e amplamente usado em ROS 2.
Caso de Uso	Projetos ROS 2 com requisitos críticos de desempenho que precisam de acesso a dados de baixo nível.	Scripts em nível de tarefa, prototipagem rápida, projetos sem ROS e educação.	Sistemas robóticos complexos integrados com pacotes ROS como Nav2 ou MoveIt.

Método 1: uXRCE-DDS (Integração Nativa com ROS 2)

Esta é a solução oficial do PX4 para ROS 2, conectando diretamente seu sistema interno de mensagens uORB à rede ROS 2 para comunicação sem sobrecarga.

Passo 1: Compilar o Micro XRCE-DDS Agent

O Agent é um pequeno programa no Jetson que atua como um intermediário entre a conexão serial do controlador de voo e a rede ROS 2.

Terminal on Jetson

# 1. Clone the specific version of the Agent repository
cd ~
git clone -b v2.4.2 https://github.com/eProsima/Micro-XRCE-DDS-Agent.git
cd Micro-XRCE-DDS-Agent

# 2. IMPORTANT: Patch the Fast-DDS dependency version
# The v2.12.x tag for fastdds was removed by the vendor; we update it to a working one.
sed -i 's/v2.12.x/v2.13.x/g' SuperBuild.cmake

# 3. Build and install the Agent
mkdir build && cd build
cmake ..
make
sudo make install # Installs MicroXRCEAgent globally

Passo 2: Compilar o pacote ROS 2 px4_msgs

Para permitir que o ROS 2 entenda os tópicos do PX4, você deve compilar suas definições de mensagens.

Terminal on Jetson

# 1. Create a ROS 2 workspace
mkdir -p ~/px4_ros_ws/src
cd ~/px4_ros_ws/src

# 2. Clone the required repositories
git clone https://github.com/PX4/px4_msgs.git
git clone https://github.com/PX4/px4_ros_com.git # Contains examples

# 3. Checkout the branch matching your firmware version
cd px4_msgs
git checkout release/1.15

# 4. Build the workspace
cd ~/px4_ros_ws
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build

Compatibilidade de Hardware para uXRCE-DDS

A versão de px4_msgs deve estar alinhada com a versão do firmware PX4. Isso é crítico para a compatibilidade.

Além disso, o suporte ROS 2 nativo completo via uXRCE-DDS, que se tornou o padrão no firmware PX4 v1.14 e posterior, exige controladores de voo com 2MB de memória flash (como o Pixhawk 4 Mini usado neste guia).

Hardware mais antigo e clássico, como o popular Pixhawk 2.4.8 (e outras placas baseadas em FMUv2), possui apenas 1MB de flash. Eles não conseguem executar o firmware pré-compilado padrão exigido para este método com uXRCE-DDS. Embora seja teoricamente possível criar um firmware personalizado e reduzido, isso é um processo complexo.

Se você estiver usando um Pixhawk 2.4.8 ou outra placa com 1MB de flash, recomendamos fortemente que pule este método e siga diretamente para o Método 2 (MAVSDK) ou Método 3 (MAVROS), já que ambos utilizam o protocolo MAVLink, que é totalmente suportado pelo seu hardware.

info

O branch px4_msgs deve corresponder à sua versão de firmware PX4 para garantir que as definições de mensagem sejam compatíveis.

Etapa 3: Configurar o Firmware PX4

Conecte-se ao QGroundControl e defina os seguintes parâmetros:

1. UXRCE_DDS_CFG: Defina como TELEM1. Isso ativa o cliente XRCE-DDS nessa porta.
2. SER_TEL1_BAUD: Defina como 921600 8N1.
3. MAV_1_CONFIG: Defina como Disabled. Isso é crucial para evitar que o MAVLink entre em conflito na mesma porta.
4. Salve os parâmetros e reinicie o controlador de voo.

Etapa 4: Iniciar e Verificar

1. Inicie o Agent no Jetson (em um terminal):

   Terminal 1: Run Agent

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

2. Verifique os tópicos ROS 2 (em um novo terminal):

   Terminal 2: Verify Topics

   # Source your workspace in every new terminal
   source ~/px4_ros_ws/install/setup.bash
   
   # You should see a list of topics starting with /fmu/
   ros2 topic list | grep /fmu/
   
   # Echo a topic to see live data streaming from the FCU
   ros2 topic echo /fmu/out/vehicle_odometry

---

Método 2: MAVSDK (API de Alto Nível)

O MAVSDK fornece uma API simples e moderna para controlar drones programaticamente, abstraindo as complexidades do protocolo MAVLink. É perfeito para escrever scripts de missão em alto nível.

Etapa 1: Configurar o Firmware PX4

No QGroundControl, altere a configuração da porta de DDS de volta para o modo MAVLink.

1. UXRCE_DDS_CFG: Defina novamente como Disabled.
2. MAV_1_CONFIG: Defina como TELEM 1 para atribuir a porta ao MAVLink.
3. MAV_1_MODE: Defina como Onboard para especificar que o link é para um computador acompanhante.
4. SER_TEL1_BAUD: Certifique-se de que ainda está como 921600 8N1.
5. Salve os parâmetros e reinicie o controlador de voo.

Etapa 2: Instalar o MAVSDK-Python

Terminal on Jetson

pip3 install mavsdk

Etapa 3: Escrever e Executar um Script de Controle

Este script em Python conecta, decola até 10 metros, espera e então pousa.

takeoff_and_land.py

import asyncio
from mavsdk import System

async def run():
    # Create a drone object and connect to the flight controller
    drone = System()
    await drone.connect(system_address="serial:///dev/ttyTHS1:921600")

    print("Waiting for drone to connect...")
    # This is an asynchronous generator that yields connection state updates
    async for state in drone.core.connection_state():
        if state.is_connected:
            print("--> Drone discovered!")
            break

if __name__ == "__main__":
    # Run the asyncio event loop
    asyncio.run(run())

Execute o script a partir do seu terminal: python3 takeoff_and_land.py.

---

Método 3: MAVROS (A Poderosa Ponte ROS)

O MAVROS é o gateway MAVLink-para-ROS amplamente testado em campo, oferecendo funcionalidade abrangente e estabilidade inigualável para sistemas complexos baseados em ROS.

Etapa 1: Configurar o Firmware PX4

A configuração do PX4 para o MAVROS é idêntica à configuração do MAVSDK. Certifique-se de que TELEM1 esteja configurado para MAVLink no modo Onboard.

Etapa 2: Instalar o MAVROS e Dependências

Terminal on Jetson

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

Evite um Travamento Comum!

O MAVROS requer um conjunto de dados geográficos para transformações de coordenadas. A ausência desse conjunto de dados é uma causa comum de travamentos na inicialização. Este script faz o download e a instalação.

Terminal on Jetson

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

Etapa 3: Iniciar e Verificar

1. Inicie o nó MAVROS:

   Terminal 1: Launch MAVROS

   source /opt/ros/humble/setup.bash
   
   # Launch mavros, specifying the FCU connection URL via a parameter
   ros2 launch mavros px4.launch fcu_url:="serial:///dev/ttyTHS1:921600"

2. Verifique a Conexão:

   Em um novo terminal, faça echo do tópico de estado do MAVROS.

   Terminal 2: Verify Connection

   ros2 topic echo /mavros/state

   Observe a saída. Quando o campo connected mudar para true, o MAVROS estará se comunicando com sucesso com o seu PX4.

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Solução de Problemas Comuns

Se você tiver problemas, verifique primeiro estas questões comuns.

• "Permission Denied" na porta serial: Você esqueceu de adicionar seu usuário ao grupo dialout e reiniciar. Consulte a seção "Conexão de Hardware".
• "No such file or directory" para /dev/ttyTHS1: Verifique novamente a fiação física. O controlador de voo está ligado? Execute ls /dev/ttyTHS* para confirmar o nome do dispositivo.
• MAVROS trava na inicialização: Você provavelmente pulou a etapa install_geographiclib_dataset.sh. Execute o comando do Método 3.
• colcon build falha: Certifique-se de que você tenha carregado o ambiente ROS 2 primeiro (source /opt/ros/humble/setup.bash). Para problemas de dependência mais complexos, talvez seja necessário executar rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y.

Palavras Finais

Agora você tem três métodos poderosos para habilitar a comunicação entre um Jetson Orin e um controlador de voo PX4. A melhor ferramenta depende da arquitetura do seu projeto, das necessidades de desempenho e da velocidade de desenvolvimento. Ao entender os trade-offs, você pode construir uma base robusta para qualquer aplicação de drone autônomo.

Bons voos! 🚁

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