GAAS 无人机自动驾驶学习（01-使用机载电脑，通过OFFBOARD模式进行控制飞行）

原文网址：https://gaas.gitbook.io/guide/wu-ren-ji-zi-dong-jia-shi-xi-lie-offboard-kong-zhi-yi-ji-gazebo-fang-zhen

介绍：无人机可以使用机载电脑，通过OFFBOARD模式进行控制飞行。控制过程主要通过一连串的MAVROS命令来实现，而MAVROS是MAVLink的一层高级封装，从而免去了我们通过MAVLink控制无人机的繁琐。通过MAVROS，我们可以轻松实现很多功能，例如：起飞，降落，指点飞行，朝向控制等等。

 

第一节：如何通过机载电脑，在模拟器中控制无人机飞行。

1. 源码编译

！！！！！特别提示：第一节这里我在自己的Ubuntu16.04系统上编译PIX4的时候，也就是下面的“004.PX4 Firmware”这一步，提示说部分文件的编译文件过旧。分析原因可能是原先编译PIX4 Firmware使用的gazebo版本较低，现在替换成gazebo后编译需要匹配。。。。balabala其实这里的原因我至今没搞清楚，也很好奇制作镜像的人是怎么编译的，其实也在技术交流群里问了，但是没有得到答案。好吧，那就应了那句话，不要重复造轮子，就直接上镜像吧。

链接：https://pan.baidu.com/s/1rURSO8Df4PwNe6wsl3p-eA
提取码：nfey 
 

这里我把下载的镜像iso以及用到的刻录工具Rufus 以及最重要的一个神器百度云盘的PJ下载（4.7G的文件十几分钟搞定）。都放到了我的分享链接内，大家自取。最后再唠叨一句，刻录镜像的时候U盘引导如果装的双系统一定要设置优先U盘启动，如果刻录不成功，多试几次。

最最后！！！如果直接上镜像，下面的部分就不用看了，可直接跳转到 “006. 控制无人机”，我是直接考皮的原文网址的内容。

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001.环境配置：Ubuntu 16.04 LTS 以及ROS-Kinetic环境下测试通过// 可以选择逐个安装依赖包，也可以直接使用Docker。这里使用前者。

基本依赖项，为了使用所有脚本的功能，请先按照如下安装依赖项:

pip install \
	pandas \
	jinja2 \
	pyserial \
	cerberus \
	pyulog \
	numpy \
	toml \
	pyquaternion

sudo apt install -y \
	ninja-build \
	exiftool \
	python-argparse \
	python-empy \
	python-toml \
	python-numpy \
	python-yaml \
	python-dev \
	python-pip \
	ninja-build \
	protobuf-compiler \
	libeigen3-dev \
	genromfs 

这里可能会有报错：

gzip: stdout: No space left on device
E: mkinitramfs failure find 141 cpio 141 gzip 1
update-initramfs: failed for /boot/initrd.img-4.15.0-50-generic with 1.
run-parts: /etc/kernel/postinst.d/initramfs-tools exited with return code 1
dpkg: error processing package linux-image-4.15.0-50-generic (--configure):
 subprocess installed post-installation script returned error exit status 1
Errors were encountered while processing:
 initramfs-tools
 linux-image-4.15.0-47-generic
 linux-image-4.15.0-50-generic
E: Sub-process /usr/bin/dpkg returned an error code (1)

原因是第一句话，表示boot空间不足，可以卸载旧的内核腾一下空间，参考这篇博客

https://blog.csdn.net/Tong_jy/article/details/79730247

• Linux 中 /boot 是存放系统启动文件的地方，安装 ubuntu 时单独分区给 200M 足够，但是系统内核更新后，老的内核依然保存在 /boot 分区内，几次升级后，就会提示 /boot 空间不足。
• 我们只要删掉老的内核，将空间释放出来就可以了。
• 先查看已安装的内核版本

dpkg --get-selections |grep linux
#能看到已经安装的版本，其中带image的一般就是旧版本
#deinstall代表是已经删除的旧版本
#install是还没有删除的旧版本内核​​

uname -r
#查看当前内核版本

sudo apt-get remove linux-image-xxxx
#删除旧版本内核，xxx为内核版本号

 

002.ROS-Kinetic

ROS (Robot Operating System) 是一个在机器人领域应用非常广泛的框架，它包含了很多有用的库以及工具，我们在本课以及接下来的所有课程中都会使用ROS Kinetic，首先，让我们安装ROS Kinetic。

安装 ROS Kinetic，请按照如下步骤：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
sudo apt-key adv --keyserver hkp://ha.pool.sks-keyservers.net:80 --recv-key 421C365BD9FF1F717815A3895523BAEEB01FA116
sudo apt-get update
sudo apt-get install ros-kinetic-desktop-full
sudo rosdep init
rosdep update
echo "source /opt/ros/kinetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
sudo apt install python-rosinstall python-catkin-tools python-rosinstall-generator python-wstool build-essential

# install ros-gazebo plugins
sudo apt install ros-kinetic-gazebo-*

注：浏览 http://wiki.ros.org/kinetic/Installation/Ubuntu 以便了解更多信息

完成上列步骤后，你可以通过下面的命令来测试是否成功安装

roscore

显示：

chen@chen-Inspiron-M5110:~$ roscore
... logging to /home/chen/.ros/log/2c5313f6-8119-11e9-a061-24b6fd2c7abd/roslaunch-chen-Inspiron-M5110-1553.log
Checking log directory for disk usage. This may take awhile.
Press Ctrl-C to interrupt
Done checking log file disk usage. Usage is <1GB.

started roslaunch server http://chen-Inspiron-M5110:42875/
ros_comm version 1.12.14

SUMMARY
========

PARAMETERS
 * /rosdistro: kinetic
 * /rosversion: 1.12.14

NODES

auto-starting new master
process[master]: started with pid [1568]
ROS_MASTER_URI=http://chen-Inspiron-M5110:11311/

setting /run_id to 2c5313f6-8119-11e9-a061-24b6fd2c7abd
process[rosout-1]: started with pid [1581]
started core service [/rosout]

如果 ROS 安装成功，你可以看到以上结果。

接下来，需要生成catkin工作空间，你所有的基于ROS的库都可以存放在此。

mkdir -p ~/catkin_ws/src

 

003.MAVROS

如之前所说，MAVROS是一层MAVLink与ROS通信的封装，旨在方便无人机与机载电脑通信。若要安装，你可以选择通过apt安装，或者从源码编译。请参考如下步骤:

# 你可以使用下列任何一种方法

# 方法 1
sudo apt-get install ros-kinetic-mavros ros-kinetic-mavros-extras

# 安装geographic lib :
wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
sudo chmod a+x install_geographiclib_datasets.sh
./install_geographiclib_datasets.sh


# 方法 2
cd ~/catkin_ws
catkin init && wstool init src
rosinstall_generator --rosdistro kinetic mavlink | tee /tmp/mavros.rosinstall
rosinstall_generator --upstream mavros | tee -a /tmp/mavros.rosinstall
wstool merge -t src /tmp/mavros.rosinstall
wstool update -t src -j4
rosdep install --from-paths src --ignore-src -y

# 安装geographic lib :
sudo ./src/mavros/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
sudo apt install ros-kinetic-catkin python-catkin-tools
catkin build

注：若要了解更多关于Mavros信息，请参考如下网址:
https://github.com/mavlink/mavros/blob/master/mavros/README.md#installation

采用的第一种方法亲测安装没有报错，最后一条指令./install_geographiclib_datasets.sh提示需要root权限，前加sudo就可以了。

 

004.PX4 Firmware (自注：编译posix_sitl_default gazebo不能通过，有时间再详细找原因)

我们会在此课以及接下来的课程中使用 PX4 v1.8.0固件。

cd ~/catkin_ws/src

# 请保证网络连接正常，此步骤耗时较长
git clone https://github.com/PX4/Firmware.git
cd Firmware
git checkout v1.8.0
make posix_sitl_default gazebo

若以上步骤通过，此时会弹出Gazebo模拟器窗口，你会看到一架无人机出现在环境中，现在将窗口关闭即可。

修改环境变量，这样每次打开新的终端都可以保持环境变量一致:

# Use your favorite editor, we will be using gedit
# NOTE: you will need to use ROOT to edit bashrc
sudo gedit ~/.bashrc

# 在bashrc中，拷贝以下内容到bashrc尾端
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash # 如果通过第一种方式安装了MAVROS，忽略此步。
source ~/catkin_ws/src/Firmware/Tools/setup_gazebo.bash ~/catkin_ws/src/Firmware/ ~/catkin_ws/src/Firmware/build/posix_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:~/catkin_ws/src/Firmware
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:~/catkin_ws/src/Firmware/Tools/sitl_gazebo

打开一个新终端，输入:

roslaunch px4 posix_sitl.launch

或者你可以直接输入:

roslaunch px4 mavros_posix_sitl.launch

一个如下图所示的窗口会弹出

                                                              Figure 1, Gazebo and PX4 simulation in empty world

在一个新终端，输入

rostopic echo /mavros/state

你可以看到:

header: 
  seq: 1
  stamp: 
    secs: 730
    nsecs: 280000000
  frame_id: ''
connected: True
armed: False
guided: False
mode: "MANUAL"
system_status: 3
---

如果你看到上面的connected为True，那就代表你的Gazebo仿真环境配置成功，同时你的MAVROS通信也成功设置。

005. OFFBOARD 控制

首先，将仿真需要的文件获取到本地环境，文件包括无人机模型，世界模型以及其他一些你会用到的内容。此课程中我们将只关注基于python的MAVROS例子，如果你感兴趣的话可以试试GAAS提供的其他功能。

git clone [email protected]:generalized-intelligence/GAAS.git

你可以看到四个文件夹:

• demo: 本课用到的所有内容都可以在此文件夹内找到;

• hardware: 制作无人机所需的硬件资料可以在此文件夹找到;

• simulator: 包含仿真用到的模型等;

• software: 包含了例如ObstacleMap, SLAM，Local 以及Global path planner等内容。

你可以在各个文件夹内的README.md 中了解更多信息。

现在，将模型文件所在地址更新到环境变量中:

echo "export GAZEBO_MODEL_PATH=${GAZEBO_MODEL_PATH}:(GAAS_PATH)/simulator/models" >> ~/.bashrc
我的环境下：
 echo "expert GAZEBO_MODEL_PATH=${GAZEBO_MODEL_PATH}:/home/gaas_folder/GAAS//simulator/models" >> ~/.bashrc

将模型以及配置文件拷贝到对应文件夹中:

cp -r (GAAS_PATH)/simulator/models/* ~/catkin_ws/src/Firmware/Tools/sitl_gazebo/models/
cp -r (GAAS_PATH)/simulator/worlds/* ~/catkin_ws/src/Firmware/Tools/sitl_gazebo/worlds/
cp -r (GAAS_PATH)/simulator/posix-config/* ~/catkin_ws/src/Firmware/posix-configs/SITL/init/ekf2/

我的环境下：
cp -r /home/gaas_folder/GAAS/simulator/models/* ~/catkin_ws/src/Firmware/Tools/sitl_gazebo/models/
cp -r /home/gaas_folder/GAAS/simulator/worlds/* ~/catkin_ws/src/Firmware/Tools/sitl_gazebo/worlds/
cp -r /home/gaas_folder/GAAS/simulator/posix-config/* ~/catkin_ws/src/Firmware/posix-configs/SITL/init/ekf2/

006. 控制无人机

 

！！！如果用的是镜像安装，这里可以直接忽略以上步骤。

如果你使用的是Docker（见下），执行:

cd /root/gi/px4/Firmware && make posix_sitl_default gazebo

 

接下来，无论你通过哪种方式配置的环境，都需要用同样的命令启动仿真环境，打开一个终端，输入:

roslaunch px4 mavros_posix_sitl.launch 

同时，不要忘记检查MAVROS连接情况:

# 请确保 connected 结果为 True
rostopic echo /mavros/state

如果Gazebo仿真环境成功启动且MAVROS连接成功，在一个新的终端，改变路径到GAAS下的DEMO文件夹，执行python脚本:

# 如果你使用的是Docker
cd /root/gi/GAAS/demo/tutorial_1/1_px4_mavros_offboard_controller
python px4_mavros_run.py

# 如果你使用第一种安装方法
cd (GAAS_PATH)/demo/tutorial_1/1_px4_mavros_offboard_controller
python px4_mavros_run.py

你可以看到一个无人机逐渐起飞到3米高并悬停在此。在另外一个终端中:

python commander.py

你可以看到无人机按照下面的顺序飞行:

  1.向右飞一米;

  2.逆时针旋转90度;

  3.降落。

或者你可以打开一个新的终端，使用提供的API来控制无人机:

# in folder '1_px4_mavros_offboard_controller'
python

# import packages
from commander import Commander
import time

# create Commander instance
con = Commander()

# control the drone to move 1 meter to the right
con.move(1,0,0)
# wait for 2 seconds 
time.sleep(2)

# control the drone to move 1 meter to the front
con.move(0,1,0)
# wait for 2 seconds
time.sleep(2)

# control the drone to move 1 meter to the left
con.move(-1,0,0)
# wait for 2 seconds
time.sleep(2)

# control the drone to move 1 meter to the back
con.move(0,-1,0)
# wait for 2 seconds
time.sleep(2)

# control the drone to move 1 meter above
con.move(0,0,1)
# wait for 2 seconds

# land
con.land()

你可以看到无人机按照正方形运行，升高之后降落。你可能已经发现无人机运动时总是按照”当前“位置作为坐标系，此时运动的参考系为BODY_OFFSET_ENU 或 FLU（Forward，Left，Up），每次运动命令总会控制无人机按照机身坐标系进行运动。move 方法中的第一个参数控制无人机向前飞行（注意，向前飞行不等于向北飞行），第二个参数控制无人机向左飞行，第三个参数向上飞行。飞机飞行的默认参考系为BODY_OFFSET_ENU。如果你想使用LOCAL_ENU坐标系，此时运动按照的参考系是对于“起飞”时的位置，你可以在move方法中添加第四个参数，如下:

con = Commander()

# for BODY_OFF_SET_ENU or FLU frame
con.move(x,y,z)

# for LOCAL_ENU frame
con.move(x,y,z,BODY_OFF_SET_ENU=False)

                                                                                   Figure 4, FLU body frame

接下来，你可以在模拟器中试试其他提供的API。

下一课，我们会讲解一下如果在模拟器环境中通过OFFBOARD模式制作一个3D模型。

 

阅读资料：

若有兴趣，请阅读如下资料：

1. General ROS introduction: http://wiki.ros.org/

2. MAVROS: http://wiki.ros.org/mavros

3. MAVLINK: https://mavlink.io/

4. Gazebo: http://gazebosim.org/

5. rep-105: https://www.ros.org/reps/rep-0105.html

6. https://github.com/PX4/Devguide/blob/master/en/ros/external_position_estimation.md

 

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两种方式配置环境，可以选择逐个安装依赖包，也可以直接使用Docker。

以上是逐个安装依赖包，进行环境配置，下面有第二种环境配置方式，直接使用Docker（这是个什么锤子？咱也不清楚，咱也没有查，反正原博主说了推荐使用源码配置方式，有时间再研究）

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2. 使用Docker

如果你想直接跳过上面的步骤，可以使用Docker来运行仿真。Docker的使用较为简单，但是需要的资源较多，所以使用Docker的话GUI程序帧率以及分辨率会较低。我们使用VNC作为GUI交互，它的使用很广泛，可以用在包括Macos， Windows以及Android的多种平台上。

001. 使用VNC并获取Docker镜像

为了在Docker环境下使用GUI程序，需要在本地环境中安装VNC-viewer。你可以访问下面的网站了解更多信息:

https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/

对于Linux系统来说，你可以直接下载下面的二进制文件:

wget https://www.realvnc.com/download/file/viewer.files/VNC-Viewer-6.19.107-Linux-x64

之后:

# NOTE the exact file name might differ
# 注意文件名可能会不一样
chmod +x VNC-Viewer-6.19.107-Linux-x64 
./VNC-Viewer-6.19.107-Linux-x64

其他平台的安装很简单，我们在此跳过。VNC-viewer安装后，需要获取Docker镜像到你的本地环境下:

docker pull gaas/mavros-gazebo7-px4

若要使用Docker，打开一个终端并输入:

# 取决于硬件配置，此过程可能需要3-5分钟
docker run -p 6080:80 -p 5900:5900 gaas/mavros-gazebo7-px4:latest

在使用Docker过程中，视需求需要使用ROOT权限。

在另一个终端:

# 文件名或者文件路径可能会不一样
./VNC-Viewer-6.19.107-Linux-x64

你可以看到一个如下窗口弹出:

                                                                                  Figure 2, VNC viewer window

输入如下地址:

# 你可以更改使用的端口，在Docker运行时修改对应参数即可
127.0.0.1:5900

回车后，你可以看到一个LXDE桌面的Ubuntu系统窗口:

本课所需要的所有资料都可以在如下文件夹内找到:

/root/gi/GAAS/demo/tutorial_1

最后，每次打开Docker后，使用仿真前，你都需要手动执行下列命令:

cd /root/gi/px4/Firmware && make posix_sitl_default gazebo

仿真环境窗口弹出后，让我们暂时将它关闭。

现在，你可以直接跳到 “006.控制无人机” 部分了！