k00. Обзор «UAV Python Pro»

1. Цели урока

После этого урока вы будете уметь своими словами, без подсматривания в текст:

• объяснить, чем занимается программист беспилотников в нашем понимании профессии, и чем он не обязан быть;
• перечислить основные части системы «дрон + программы» и указать, где в этой схеме живёт Python;
• дать простые рабочие определения: полётный контроллер, MAVLink, наземная станция GCS, симулятор SITL, бортовой компьютер companion;
• понять карту курса M0–M12, зачем нужны контрольные точки (гейты), почему сначала коптер в симуляторе, а Matek F405 VTOL — позже;
• знать ритуал работы с ментором, маркеры отката и что писать, если фраза в конспекте непонятна;
• принять правило безопасности: до специального допуска нет arm на реальном аппарате с установленными пропеллерами.

2. Словарь урока

Прочитайте словарь спокойно один раз до основного текста. Заучивать наизусть не нужно: достаточно узнать слово «в лицо», когда оно встретится ниже.

3. Кто такой программист БПЛА

Представьте обычный дрон: рама, моторы, батарея, датчики и маленькая плата управления. Если дрон уже «умеет летать» под управлением автопилота, зачем программист?

Потому что «уметь летать» — только половина дела. В работе нужно, например:

• автоматически загрузить маршрут из файла;
• в полёте читать высоту, батарею и качество связи;
• записать подробный лог для разбора;
• на борту обработать картинку с камеры и сказать автопилоту: «цель слева, поверни и держи дистанцию»;
• если пропал GPS — перейти на запасной способ ориентирования.

Программист БПЛА в смысле нашей профессии пишет программное обеспечение вокруг автопилота: на земле (наземная станция), на борту (Raspberry Pi), для полезной нагрузки (камера, алгоритмы) и для связки всего этого в одну систему.

На плате Matek F405 VTOL будет прошивка ArduPilot. Она уже умеет стабилизировать положение, держать высоту, менять режимы полёта, возвращаться на точку старта (часто это называют RTL — Return To Launch, «вернись к месту взлёта»). Мы не пишем с нуля эту «рефлекторную» программу внутри полётного контроллера. Мы пользуемся ею через язык сообщений MAVLink.

Грубая схема (детали будут позже):

[Вы и ваш Python на Windows]
        │  сообщения MAVLink (USB, сеть UDP или радио)
        ▼
[Полётный контроллер с ArduPilot]
        │  сигналы на регуляторы и моторы
        ▼
[Моторы, сервоприводы, датчики]

Отдельно на борту:
[Raspberry Pi + ваш Python] ──UART/USB──► [тот же полётный контроллер]
         │
         └── камера, зрение, свои логи, своя логика задания

Какие роли закрывает курс

Названия должностей на работе бывают разными. Нам важнее четыре навыковых роли, которые вы соберёте по модулям.

Чем мы в курсе не занимаемся

• Не пишем свою прошивку автопилота вместо ArduPilot (настраиваем и общаемся с ней — да).
• Не уходим с первого дня в глубокий ROS2.
• Не делаем главной целью «пилотировать руками как на соревнованиях»: нужен автоматический контур через код.
• Не обходим законы: только легальные учебные сценарии, симулятор и безопасный стенд.

4. Из каких частей состоит система дрона

Чтобы техника не превращалась в кашу, разложим систему на пять этажей. «Этаж» — удобная метафора уровня. Каждый этаж стыкуется с соседним через провода, сеть или сообщения протокола.

Пять этажей системы

Коротко:

  Моторы              ≈ то, что исполняет движение
  Полётный контроллер ≈ встроенный компьютер устройства
  MAVLink             ≈ язык запросов к устройству
  Ваш Python          ≈ программа, которая шлёт запросы и читает ответы
  SITL                ≈ устройство эмулируется на ПК

Примеры задач

Это не задания на сегодня, а «трейлеры» будущих модулей, чтобы этажи стали живыми.

Типичные ошибки новичков

5. Три опоры: MAVLink, SITL и GCS

Если на старте закрепить только три слова, пусть будут эти. Без них дальше всё выглядит набором случайных кнопок.

MAVLink

MAVLink (Micro Air Vehicle Link) — открытый протокол обмена сообщениями между автопилотом, наземной станцией и бортовым компьютером.

Простыми словами: это не программа с окошками, а договорённость о формате. Какими байтами передать «я жив», «высота 12 метров», «взлети», «пункт маршрута номер 3».

В Python чаще всего будем использовать библиотеку pymavlink. Позже сравним с MAVSDK. Пока достаточно идеи: и Mission Planner, и ваш скрипт говорят с автопилотом на одном языке.

Идея обмена (ещё не код урока):

1) Контроллер шлёт HEARTBEAT («я включён, я такого-то типа…»).
2) Скрипт читает и понимает: связь есть.
3) Скрипт шлёт команду (например, запрос на arm).
4) Контроллер отвечает ACK: «выполнил» или «отказал, потому что…».

SITL

SITL — Software In The Loop, «программное обеспечение в контуре». На практике: программа автопилота работает на вашем компьютере, физика полёта упрощённо моделируется. Настоящих моторов нет, зато есть почти тот же обмен MAVLink.

На старте: ArduCopter SITL (мультикоптер) и Mission Planner на Windows. Ваш Python подключается по сети UDP (часто порт 14550) почти так же, как позже к живому аппарату.

GCS

GCS (Ground Control Station) — программа на земле: карта, «приборы», режимы, загрузка маршрута, логи.

Готовые GCS: Mission Planner (наш основной инструмент на Windows) и, например, QGroundControl. Позже вы соберёте свой упрощённый GCS на Python. Mission Planner останется эталоном для прошивки, параметров и логов.

Как это связано по этапам курса

ЭТАП 1 — только Windows
  Mission Planner ──UDP──► ArduCopter SITL
  Ваш Python      ──UDP──► ArduCopter SITL
  (один и тот же MAVLink)

ЭТАП 2 — Raspberry Pi
  Python на Pi ──UART──► Matek F405 VTOL (ArduPilot)
  Python на Pi ──Wi‑Fi/UDP──► ноутбук на земле

ЭТАП 3 — акцент на VTOL
  Те же идеи MAVLink и Python,
  другая аэродинамика и более строгие проверки

Частые путаницы

6. Карта курса, гейты, Copter и ИИ

Курс состоит из 12 модулей M0…M12 и конспектов K00…K80. Ниже — зачем такой порядок.

Модули M0–M12

M0   Старт: курс, Windows, знакомство с Mission Planner
M1   Python с нуля (ускоренно, но глубоко) до мини-проекта
M2   Математика дрона: координаты, углы, расстояние на карте
M3   Протоколы: UART, UDP/TCP, I2C/SPI, CAN, разбор байтов
M4   SITL Copter + Mission Planner + логи           → гейт G3
M5   MAVLink и pymavlink (ядро)                     → гейт G4
M6   Миссии, режимы, логика сценария                → гейт G5
M7   MAVSDK и аккуратная архитектура программ
M8   Raspberry Pi companion                         → гейт G6
M9   Matek F405 VTOL на стенде                      → гейт G7
M10  Датчики и модули
M11  ИИ: узнать / вести / сопровождать + без GPS    → гейт G8
M12  Три проекта и портфолио                        → гейт G9

В модуле M2 появятся формулы. Мы пишем их в LaTeX. Пример формата (смысл разберём в M2) — расстояние на плоскости:

На сайте формула должна отрисоваться, если подключён MathJax или KaTeX. Рядом с любой формулой в курсе всегда будет словесное пояснение.

Почему сначала Copter, а не сразу VTOL

• У учебного коптера в SITL проще набор режимов на старте.
• Легче впервые понять arm, взлёт, висение, возврат домой, полёт по точкам.
• Язык MAVLink тот же; VTOL добавляет раму и параметры, а не «другой MAVLink».
• Плата Matek F405 VTOL — цель модуля M9, когда софт уже твёрдый.

ИИ-фокус курса (зафиксировано)

• Идентификация — понять, что за объект перед камерой (в объёме курса).
• Трекинг — не терять объект от кадра к кадру.
• Сопровождение — превратить положение в кадре в команды автопилоту.
• Маршрут без GPS — локальные координаты, оптический поток, визуальные маркеры и другие запасные подходы (K72), плюс понятный failsafe, если оценка положения развалилась.

Что такое гейты

Гейт — контрольная точка навыка: не «пролистал текст», а «умею сделать и объяснить». Без гейта не прыгаем в следующий опасный слой — особенно в живое железо и в связку «зрение → моторы».

Ошибки планирования учёбы

7. Как мы учимся с ментором

Три блока каждого шага

В каждом ответе ментора один и тот же каркас — общая картина без ощущения «нас куда-то несёт».

Маркеры и откат

Ментор тоже может ошибиться: неверно назвать плату, сжать фразу до нечитаемой, дать шаг не в том порядке. Для этого есть маркеры.

«Маркер»                      → снимок SNAP перед рискованным шагом
«Откат к CHECKPOINT-K05»      → вернуть состояние после урока K05
«Blocker»                     → стоп, пока не разберём проблему
«Skip»                        → тема знакома, чек-лист отмечу, идём дальше
«Не понял фразу: …»           → переписать материал простым языком

• CHECKPOINT-Knn — конспект nn пройден, практика принята.
• CHECKPOINT-Gn — закрыт гейт n.
• SNAP-... — снимок «как есть».
• FIX-... — исправление ошибки ментора; у файла растёт номер редакции.

Сейчас активен SNAP-20260810-START. Уже применены FIX по плате F405, по языку и по формату вёрстки сайта. После закрытия этого урока поставим CHECKPOINT-K00.

Правила практики и ссылок

• Задания — только на уже пройденном. Внешний факт — только с конкретной проверенной ссылкой от ментора, не «погуглите».
• Знакомое можно Skip, но чек-лист лучше пройти глазами.
• Конспект на сайте — источник правды: нашли ошибку — правим fragment и пишем FIX.
• Установку Python, PyCharm и Git начинаем в K01. В K00 программы ставить не нужно.

Правила безопасности

Типичные ошибки учёбы

Публикация уроков на сайте

Уроки выкладываются на technobee.ru (Joomla, YOOtheme, ZOO), доступ по логину. Стили — с сайта. Формат вёрстки — как у ваших уроков Mission Planner: оглавление-аккордеон, таблицы в uk-overflow-auto, блоки ok-inline / note-inline / danger-inline, формулы LaTeX.

8. Практика

В K00 практика без установки программ. Ответы — в блокнот. Сверяйте смысл, не дословное совпадение с эталоном.

Блок 1. Карта системы

Эталон смысла:
1) сила и исполнительные механизмы
2) полётный контроллер с автопилотом
3) канал связи
4) протокол MAVLink
5) прикладные программы

Python на Raspberry Pi — этаж 5.
С этажом 2 он говорит через этажи 3 и 4.

Эталон смысла:
SITL гоняет тот же класс автопилота и тот же MAVLink на компьютере
без риска для людей и рамы. На нём отлаживают скрипты, маршруты и логи.
На Matek переносят уже проверенную логику, меняя в основном подключение
и соблюдая безопасность.

Эталон смысла:
MAVLink — язык (протокол) сообщений.
Mission Planner — одна из программ GCS, которая этим языком пользуется.
Без MP можно: свой Python или другая GCS. MP всё равно нужен как эталон,
прошивка, параметры, логи и удобный SITL на Windows.

Блок 2. Безопасность и маршрут

Эталон:
1) Python M1
2) Copter SITL (M4)
3) pymavlink взлёт-посадка (M5, G4)
4) Raspberry Pi и UART (M8)
5) bench Matek F405 VTOL (M9, G7)

Эталон смысла:
«Blocker по K18, раздел про UDP. Ожидал …, получил ….
Откат к CHECKPOINT-K17, пока не разберём. Нужен FIX в конспекте.»

Эталон смысла:
1) идентификация  2) трекинг  3) сопровождение  4) участок без GPS

Arm включает готовность моторов. Ошибка распознавания или сбой камеры
не должны подавать питание на силовую часть. Arm — решение человека
и safety-слоя, не прямой выход модели.

Эталон смысла:
Failsafe на полётном контроллере (например RTL или посадка).
Companion — помощник. Контроллер — последняя линия доверия.

9. Проверьте себя

Сформулируйте ответ своими словами, затем сверьте с эталонами практики в разделе 8 и с текстом урока.

1. Чем программист БПЛА в нашем курсе отличается от «человека, который собирает раму»?
2. Назовите пять этажей системы и этаж, на котором живёт Python на Raspberry Pi.
3. Почему Python не должен заменять прошивку автопилота на полётном контроллере?
4. Чем MAVLink отличается от Mission Planner?
5. Зачем нужен SITL, если есть Matek F405 VTOL?
6. Почему в курсе сначала Copter, а VTOL — позже?
7. Перечислите четыре линии ИИ-фокуса.
8. Что такое гейт и зачем G4 до работы с железом?
9. Какие фразы вы напишете ментору при ошибке в конспекте и при желании откатиться?
10. Почему алгоритмам зрения нельзя давать право arm?

10. Чек-лист самопроверки

Урок освоен, если каждый пункт вы можете объяснить вслух простыми предложениями:

• Объясняю роль программиста БПЛА и границы курса
• Перечисляю пять этажей и указываю, где Python
• Отличаю MAVLink от Mission Planner
• Объясняю SITL и зачем он при наличии железа
• Понимаю разницу GCS (земля) и companion (Raspberry Pi)
• Обосновываю порядок Copter → Matek F405 VTOL
• Называю, где в карте курса ядро MAVLink и где модуль ИИ
• Понимаю смысл гейтов G0–G9
• Перечисляю ИИ-фокус: идентификация, трекинг, сопровождение, без GPS
• Знаю ритуал «сделано / планируем / сейчас»
• Умею использовать Marker, Откат, Blocker, Skip, «Не понял фразу»
• Принимаю: без допуска нет arm с пропеллерами; ИИ не делает arm
• Развёрнуто объясняю, почему Python не заменяет автопилот на FC

11. Что дальше

• Следующий конспект: K01 · Окружение Windows: Python, PyCharm Pro, Git
• Целевая плата курса: Matek F405 VTOL (модуль M9)