無人機自學計畫：自動飛行 / 程式（純模擬）

目標

12 週內，在模擬器中用程式控制無人機完成自主任務（起飛、航點、感測器回饋、簡單視覺追蹤），並理解飛控與 MAVLink 的運作原理。

約束

預算 ≈ 0，不買硬體，全部在模擬中完成
環境：macOS（arm64 Apple Silicon）；Gazebo/PX4 在 macOS 較不穩，必要時改用 Docker 或 Linux VM
每週 5–8 小時；每週結束留一份筆記到 notes/week-NN/

工具選擇

用途	首選	備案
飛控韌體	ArduPilot SITL（macOS 原生可跑）	PX4 SITL（Docker）
地面站	MAVProxy、QGroundControl	Mission Planner（需 Windows）
程式介面	pymavlink → MAVSDK-Python	DroneKit
3D 模擬	Gazebo（Docker / VM）	AirSim、Webots
機器人框架	ROS 2（第 9 週起，Docker）	—

路線圖

階段 1：基礎觀念（第 1–3 週）

W1 飛行原理：四軸力學、roll/pitch/yaw/throttle、飛行模式（Stabilize/Loiter/Guided/RTL）
W2 飛控架構：IMU、GPS、氣壓計、EKF、PID 控制迴路；ArduPilot 與 PX4 比較
W3 環境建置：安裝 ArduPilot SITL + MAVProxy + QGroundControl，手動起飛降落
- 產出：能在 QGC 看到虛擬無人機並下指令

階段 2：用程式飛（第 4–6 週）

W4 MAVLink 協定：訊息結構、heartbeat、常見訊息（ATTITUDE、GLOBAL_POSITION_INT）；用 pymavlink 讀遙測
W5 Guided 模式：arm、takeoff、goto、速度控制、降落（pymavlink 與 MAVSDK 各做一次）
W6 任務與安全：上傳航點任務、geofence、failsafe、RTL
- 專案 1：projects/waypoint-mission 自動飛正方形並回家

階段 3：感知與進階（第 7–9 週）

W7 模擬器進階：Gazebo 世界、攝影機、距離感測器；ArduPilot/PX4 與 Gazebo 串接
W8 電腦視覺：OpenCV 讀模擬相機畫面、顏色/ArUco 標記偵測
W9 ROS 2 入門：節點、topic、MAVROS 或 px4_msgs
- 專案 2：projects/aruco-landing 偵測標記並精準降落

階段 4：整合與延伸（第 10–12 週）

W10 控制理論：調 PID、看 log（.bin/ULog）分析、參數調校
W11 避障與路徑規劃：簡單 A*／potential field，在模擬中繞障
W12 總結專案：projects/final 自選主題（目標追蹤、多機、搜索覆蓋路徑）
- 產出：README + 示範錄影 + 心得

每週流程

讀（官方文件為主，約 2 小時）
做（實作與小實驗，約 3–4 小時）
寫（在 notes/week-NN/README.md 記錄：學到什麼、卡在哪、下週問題）

資源

ArduPilot Dev 文件：https://ardupilot.org/dev/
PX4 文件：https://docs.px4.io/
MAVLink 指南：https://mavlink.io/en/
MAVSDK-Python：https://mavsdk.mavlink.io/
QGroundControl：https://qgroundcontrol.com/
Gazebo：https://gazebosim.org/

日後上實機

目前不涉及。若要飛實機，先查台灣民航局無人機註冊、操作證與禁限航區規定，再從 <250g 小機與開闊場地開始。

進度

階段 1（W1–3）：W1 飛行原理、W2 飛控架構（含 4 輪測驗與實作）、W3 環境建置皆完成
階段 2（W4–6）：W4 MAVLink 協定完成（實作 1–6）、W5 Guided 模式完成（實作 1–3，pymavlink 與 MAVSDK 各一次；實作 4 略過）、W6 任務與安全完成（實作 1–4 與專案 1；實作 5 略過）
階段 3（W7–9）
階段 4（W10–12）

目前位置（2026-10-13）：階段 2（W4–6）完成，專案 1 waypoint-mission 通過驗收；下一步是 W7 模擬器進階（Gazebo 世界、攝影機、距離感測器）。