从Simulink到PX4——Simulink-PX4插件安装与环境搭建

前言

       作为无人直升机方向的自控搬砖生，一定都不陌生Matlab与Pixhawk，前者是控制律仿真的常用软件，而后者是著名的开源无人机飞控模块。把控制律数学设计变成实际可用的飞控固件是一件令人头秃的事情，而现在Mathworks与Pixhawk从Matlab2018开始（具体Matlab支持版本详见官网）联手打造了Embedded Coder Support Package for PX4 Autopilots插件，用以保护各位研究者的发量。
       由于该插件目前没有在更新，不少插件相关应用都已过时,笔者耗费了不少精力（主要是被网络环境掣肘），才终于完成了Simulink-PX4插件的环境搭建与第一次代码构建工作。折腾期间发现网上并没有很多相关内容，遂整理成文，行文顺序按照Matlab的Simulink-PX4插件设置和帮助文档顺序给出，方便各位同仁。欢迎大家指正。
提醒：

1. 本文给出的环境搭建流程，需要一个良好的网络环境，尤其是对Github，raw.githubusercontent.com，Ubuntu软件源等有较好的连接；
2. Simulink-PX4插件及其帮助文档并没有汉化，以下内容笔者默认各位英语还行；
3. 本文给出的环境搭建流程需要使用WSL，需要一定的Linux基础；
4. 笔者默认各位熟悉Github相关操作。

0 准备工作

       首先介绍一下笔者的软硬件环境：

硬件：

• 计算机：Intel 10代NUC I7-10710
• Pixhawk：1代(FMU-V2)

软件：

• OS：Windows 10 1909
• WSL：Ubuntu 20.04 LTS
• Matlab：R2019a

       第一步自然是安装Embedded Coder Support Package for PX4 Autopilots插件，Matlab官方给出了链接，注册登录并下载即可。下载下来的文件如图

       打开Matlab，切换到该文件目录，双击安装即可。安装完后会弹出设置页面，如果未弹出可在Matlab附加功能管理中找到。
       帮助文档结构如图

1 安装WSL

       目前微软给WIN10搭载了一个Linux子系统(Windows Subsystem for Linux， WSL)，Simulink-PX4插件使用了该特性以方便构建(build)PX4固件。简单介绍WSL的安装：

1. 控制面板→程序和功能→启动或关闭Windows功能→适用于Linux的Windows子系统，勾选，确定，等待安装，重启电脑；
2. 打开微软商店(Microsoft Store)，搜索Ubuntu并安装，笔者直接安装的没有版本号的那一个；
3. 安装完后开始菜单中会多一个Ubuntu，点击打开WSL终端（可多开），等待安装完毕，WSL会让你建一个主账号与密码。

       Matlab教程要求安装Ubuntu 16.04，不过笔者用20.04没有发现问题，现在最新的PX4固件和工具链也不支持16.04了。WSL的文件是可以在WIN10中访问的，具体路径为

C:\Users\*你的用户名*\AppData\Local\Packages\CanonicalGroupLimited.UbuntuonWindows_79rhkp1fndgsc\LocalState\rootfs

这样方便之后查看和管理WSL的文件，WSL可以访问电脑中的硬盘，命令为：

cd /mnt/盘符

       WSL账号密码设置完成后可以更新下源和软件，检查下网络连接，笔者感觉能不换源最好。

2 Setting up the PX4 Toolchain on Windows

       当Simulink-PX4插件设置进行到这一步会检查你的Toolchain on Windows是否完整，帮助文档中给出了安装Toolchain的教程，这里也是笔者开始踩雷的地方。
       第一步下载Matlab提供的工具链安装脚本并解压，文件存放位置随意。
       第二步在WSL中cd到脚本文件安装位置，执行命令：

source windows_bash_nuttx.sh

       这个脚本会安装Cmake，GCC，Ninja，Git，Python，pip，jdk，FastRTPS和gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major。此处有几个雷，各位可以先执行一遍命令，分析一下报错信息（没报错的话就直接无视接下来的内容吧），用VScode之类的软件打开这个sh文件具体看里面的命令，笔者总结的雷点如下：
1.py相关
       现在使用apt安装的话，应该安装python3-pip和python3-serial包，pip install命令也有可能不识别，要使用pip3 install，另外最好把默认python版本更换为python3；
2. FastRTPS
       windows_bash_nuttx.sh中给出的FastRTPS安装要求为FastRTPS 1.5.0和FastCDR-1.0.7，脚本中给出的wget命令执行时会报OpenSSL错误，即使加上忽略SSL认证的命令，下载的文件也是错误的。现在FastRTPS已更名为FastDDS，安装FastDDS是不会通过Matlab的工具链检查的。笔者前往eProsima的网站自行下载了FastRTPS 1.5.0和FastCDR-1.0.7，安装步骤如下

eProsima Fast RTPS installation requires the following steps:

1. eProsima FastCDR library is provided under the folder “requiredcomponents”. Extract the content of the package “eProsima_FastCDR-1.0.7-Linux.tar.gz” and execute:
   $ cd eProsima_FastCDR-1.0.7-Linux; ./configure --libdir=/usr/lib; make; sudo make install

2. Install the eProsima Fast RTPS software.
   $ cd eProsima_FastRTPS-1.5.0-Linux; ./configure --libdir=/usr/lib; make; sudo make install

3.gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major相关
       脚本里安装这个工具的命令本身是没有问题的，笔者在XX上网+没有更换源的情况下成功执行完毕，如果各位也是这样，并且执行

gcc-arm-none-eabi --version

可以正常返回版本号，就直接可以看第3节了.

       如果不能正常执行脚本中的命令，笔者认为有两个方法：
1.直接安装最新版gcc-arm-none-eabi：

sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

最新版可以编译PX4固件，但是编译过程中会出现Warning treated as error的错误，需要研究一下cmake文件的-Werror命令；
2. 前往gcc-arm-none-eabi官网下载gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major文件手动安装，这个方法笔者在设置PATH时遇到了一点障碍，没有深究了。

       排雷完成后建议重启Windows让WSL的PATH设置生效。

3 Setting up the PX4 Tool Chain on Linux

       这一节即执行上一节下载下来的另一个脚本文件以安装Linux下的PX4工具链

source ubuntu_combined.sh

这一步笔者没有遇雷，最多只有上一节python相关的问题，各位打开脚本文件修改命令即可。

4 Downloading PX4 Source Code

       终于到下载PX4代码这一步了，Mathworks和Pixhawk合作时PX4的版本还在1.8.0，因此Matlab帮助文档也是让下载1.8.0版的PX4代码。这一步各位自己选定一个代码存放目录，然后在WSL中切换到该目录并依次执行（网好很重要）：

  git clone https://github.com/PX4/Firmware.git Firmware
  cd Firmware
  git checkout v1.8.0
  git submodule update --init --recursive

理论上来说这里会切换到1.8.0版的代码并下载，不过笔者在选择和检查PX4代码这一步还是被警告使用的1.11.0版代码，但是构建出的还是1.8.0版，也就没有深究了。

5 构建代码

首先选择Cmake设置

默认就是构建px4fmu。
然后构建PX4固件

这里又开始踩雷了：
       首先是Matlab的一个问题，此处点击Build Firmware之后，总会显示构建成功，然而观察Matlab的命令行窗口就可以发现可能build报错结束了。
       然后建议大家在WSL中build固件，比Matlab命令行窗口可读性强一点，以笔者代码存放位置举例，笔者将PX4固件代码存放在C:\mypx4\Firmware中，正常情况下可以看到Firmware\build文件夹中有两个nuttx开头的文件夹，与Matlab的插件设置Select Cmake Configuration一步中下拉菜单内选项相对应，如果你的情况如上所述，那么执行

cd /*固件目录*/Firmware
make nuttx_px4fmu-v2_default

就可以在WSL中启动build了，build正常的话如下所示

笔者在这里踩了三个雷：

1. 环境没装全，主要是toml、numpy，empy和catkin_pkg这四个包，使用pip安装即可，建议装完重启Windows；
2. 部分脚本文件换行符使用了Windows的换行符而非Linux，用vim打开这些脚本文件，执行:set ff=unix命令再保存退出即可，笔者怀疑这个是刚开始折腾时使用了Windows版PX4代码的原因；
3. gcc-arm-none-eabi的问题，如果这个工具没有正确安装会报各式各样和它相关的错误，查看报错信息解决吧。如果你装了最新版的gcc-arm-none-eabi就会遇到前述“Warning treated as error”的错误。

另外，如果你使用fmu-v3及以后版本的Pixhawk，可能会在编译中遇到如下错误（参见此链接）：

FAILED: libuavcan_dsdlc_run.stamp

解决办法是修改(参照此链接修改)：

Firmware/src/modules/uavcan/libuavcan/libuavcan/dsdl_compiler/libuavcan_dsdl_compiler/__init__.py

至此就完成了首次PX4固件的构建，接下来是对PIXHAWK的设置。

6 Performing PX4 System Startup from SD Card

       这一步的目的是将Simulink-PX4插件内含的Pixhawk启动脚本“rc.txt”放进Pixhawk的TF卡中。Matlab建议在执行这一步之前最好用QGC地面站将Pixhawk固件刷为最新稳定版PX4。
脚本文件位置可以在Matlab命令行中执行以下命令前往：

cd (fullfile(codertarget.pixhawk.internal.getSpPkgRootDir,'lib','etc'))

       这个命令会把Matlab当前文件夹重定位到“rc.txt”的储存位置。
在TF卡根目录中新建文件夹etc，然后将“rc.txt”复制到该文件夹中即可完成这一步骤，接下来取卡插进Pixhawk中。

7 Test Connection

       用USB线把Pixhawk与电脑相连，然后选择上传端口(此处笔者的端口是COM10)，端口可以在设备管理器中查阅。
       单击Upload Firmware即可开始上传刚才构建的固件，此时大概率会弹出一个对话框，意思是Matlab无法自动重启Pixhawk，需要手动拔线重启。在重新插上线的5s内，点击弹出对话框的确认按钮，Matlab会开始上传固件。
       固件上传结束后，单击Get Accelerometer data即可测试连接状况，如果出现上图结果，那么恭喜环境搭建初步成功，整个Hardware Setup流程也到此结束。接下来可以学习Matlab官方给出的7个Example。
       这是我运行px4demo_uORBRead的画面，可以看到Simulink可以实时读取Pixhawk的传感器数据。