从0制作自主空中机器人-4-【PX4与Gazebo入门】

前言: 从上一篇的文章 从0制作自主空中机器人-3-【环境与常用软件安装】 | MGodmonkeyの世界 中我们的机载电脑已经安装了系统和常用的软件，这一篇文章中我们入门一下无人机常用的开源飞控PX4，以及ROS中无人机的仿真

1. PX4的安装

1.1 PX4固件代码的下载与编译

  • 通过github下载PX4代码（下载慢时可以找一些github的镜像网站）
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git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --recursive
  • 安装必要的依赖
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sudo apt-get install protobuf-compiler libeigen3-dev libopencv-dev -y

bash ./PX4-Autopilot/Tools/setup/ubuntu.sh

如果安装PX4的环境比较纯净，比如说刚装的Ubuntu系统，运行bash脚本过程中会报好几次错！因为他需要安装的依赖包比较多。解决方法其实也很简单，即 【确定导致报错的依赖包名，网上检索安装这个依赖包的方法】。我们只需要将导致报错的依赖包都安装好了，运行.sh文件时就能会跳过他们。

一个实例如下：
我在执行PX4的第二个bash xx.sh命令时，在matplotlib的安装过程中卡死，就算不卡死，安装速度也非常感人，太慢了…
根据网上的参考资料，可以使用pip3进行安装，我使用的命令如下：

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# pip3 install -i [url] module
# url 为镜像源，如果不指定镜像源，下载速度依旧感人。。。
# matplotlib==3.3.4 安装版本3.3.4，建议根据报错提示的版本进行安装
pip3 install -i https://pypi.douban.com/simple/ matplotlib==3.3.4

在安装过程中确认并通过所有的提示，完成后重新启动计算机。

如果在下载或编译过程中遇到任何问题都可以参考下面的博客：

  • jmavsim仿真环境编译
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cd PX4-Autopilot   
make px4_fmu-v3_default
make px4_sitl jmavsim #jmavsim仿真环境

编译结束会自动启动仿真，出现一下画面则说明编译正常

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  • gazebo仿真编译
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make px4_sitl gazebo

出现gazebo界面代表成功

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2. Gazebo仿真

仿真一般用于验证算法，比较吃性能，机载电脑上运行仿真帧率会比较低，因此仿真推荐在性能比较好的电脑上运行，推荐使用WSL2或者虚拟机

  • 向~/.bashrc中添加launch启动路径
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## 文件夹的路径或有出入，以自己的为准进行修改
source ~/PX4-Autopilot/Tools/setup_gazebo.bash ~/PX4-Autopilot/ ~/PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:~/PX4-Autopilot
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:~/PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo

添加成功后执行source ~/.bashrc来生效脚本

  • 测试

可以通过下面这几条命令来测试

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# 运行结果和 make px4_sitl gazebo一样
roslaunch px4 mavros_posix_sitl.launch
# 或者下面这个launch，结果场景更丰富
roslaunch px4 fast_test.launch

3. QGC地面站

  • 安装QGC地面站，可以在下面的网址下载

https://docs.qgroundcontrol.com/master/en/qgc-user-guide/getting_started/download_and_install.html

  • 安装依赖
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sudo usermod -a -G dialout $USER
sudo apt-get remove modemmanager -y
sudo apt install gstreamer1.0-plugins-bad gstreamer1.0-libav gstreamer1.0-gl -y
sudo apt install libfuse2 -y
sudo apt install libxcb-xinerama0 libxkbcommon-x11-0 libxcb-cursor0 -y

注销并再次登录以启用对用户权限的更改

  • 选择 Appimage格式下载：下载地址
  • 添加权限并启动
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chmod +x ./QGroundControl.AppImage
./QGroundControl.AppImage

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4. MOVROS的基本使用

使用MOVROS来实现PX4飞控无人机的自主启动、悬停和定点飞行

  1. 创建工作空间以及功能包
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mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace
catkin_create_pkg offboard geometry_msgs mavros_msgs std_msgs rospy roscpp
  1. 创建文件offboard/src/offb_node.cpp并添加下面的代码
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/**
 * @file offb_node.cpp
 * @brief Offboard control example node, written with MAVROS version 0.19.x, PX4 Pro Flight
 * Stack and tested in Gazebo Classic SITL
 */

#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
#include <mavros_msgs/CommandBool.h>
#include <mavros_msgs/SetMode.h>
#include <mavros_msgs/State.h>

mavros_msgs::State current_state;
void state_cb(const mavros_msgs::State::ConstPtr& msg){
    current_state = *msg;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "offb_node");
    ros::NodeHandle nh;

    ros::Subscriber state_sub = nh.subscribe<mavros_msgs::State>
            ("mavros/state", 10, state_cb);
    ros::Publisher local_pos_pub = nh.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>
            ("mavros/setpoint_position/local", 10);
    ros::ServiceClient arming_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>
            ("mavros/cmd/arming");
    ros::ServiceClient set_mode_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>
            ("mavros/set_mode");

    //the setpoint publishing rate MUST be faster than 2Hz
    ros::Rate rate(20.0);

    // wait for FCU connection
    while(ros::ok() && !current_state.connected){
        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }

    geometry_msgs::PoseStamped pose;
    pose.pose.position.x = 0;
    pose.pose.position.y = 0;
    pose.pose.position.z = 2;

    //send a few setpoints before starting
    for(int i = 100; ros::ok() && i > 0; --i){
        local_pos_pub.publish(pose);
        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }

    mavros_msgs::SetMode offb_set_mode;
    offb_set_mode.request.custom_mode = "OFFBOARD";

    mavros_msgs::CommandBool arm_cmd;
    arm_cmd.request.value = true;

    ros::Time last_request = ros::Time::now();

    while(ros::ok()){
        if( current_state.mode != "OFFBOARD" &&
            (ros::Time::now() - last_request > ros::Duration(5.0))){
            if( set_mode_client.call(offb_set_mode) &&
                offb_set_mode.response.mode_sent){
                ROS_INFO("Offboard enabled");
            }
            last_request = ros::Time::now();
        } else {
            if( !current_state.armed &&
                (ros::Time::now() - last_request > ros::Duration(5.0))){
                if( arming_client.call(arm_cmd) &&
                    arm_cmd.response.success){
                    ROS_INFO("Vehicle armed");
                }
                last_request = ros::Time::now();
            }
        }

        local_pos_pub.publish(pose);

        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }

    return 0;
}

代码解释或者python版本见：MAVROS Offboard 控制示例 (C++) | PX4 自动驾驶用户指南

  1. 修改CMakeLists.txt，添加如下两行
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add_executable(offboard src/offb_node.cpp)
target_link_libraries(offboard ${catkin_LIBRARIES})
  1. 编译
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cd ~/catkin_ws
catkin_make
source devel/setup.sh
  1. 启动无人机仿真并运行节点

在一个终端中运行下面指令

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roslaunch px4 fast_test.launch # 启动仿真

在另一个终端中启动节点

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rosrun offboard offboard

更多mavros的使用以及内置的消息、服务等使用详见官方文档：mavros - ROS Wiki

注：无人无法控制时的BUG

gazebo仿真终端显示如下并不断重复

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CMD: Unexpected command 176, result 0
INFO [commander] Failsafe mode deactivated
INFO [commander] Failsafe mode activated

且offboard节点端口不断出现如下

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[ INFO] [1705027176.310554463, 727.708000000]: Offboard enabled

解决办法：

  • 在前面的三个终端运行的时候，打开QGC地面站，在参数中搜索COM_RCL_EXCEPT

  • 将COM_RCL_EXCEPT参数改为4并保存

参考博客：

【PX4-AutoPilot教程-Offboard】MAVROS功能包控制无人机进入offboard模式飞行官方例程（C++实现）_mavros px4 实例-CSDN博客

参考：