ROS+Gazebo+PX4仿真步骤

本文参考链接：[入门教程] PX4-Gazebo仿真 - 知乎 (zhihu.com)

1、参照上一个帖子 手把手教你如何安装ROS+Gazebo+PX4开发环境（ubuntu18.04 + Melodic）完成开发环境的安装。

2、了解PX4包含哪些仿真工具

仿真首先分为软件在环仿真（SITL）和硬件在环仿真（HITL）。软件在环仿真一共是有jMAVSim、Gazebo、AirSim这三种。jMAVSim是一个轻量级的仿真器，目前只支持四旋翼仿真。AirSim我不太清楚，没有使用过，这里就不评价了。Gazebo是我们今天的主角，支持旋翼、固定翼、倾转、小车等，是所有仿真器里支持平台最多的，也能支持多个无人机的仿真。

如果用到px4_command及mavros包来进行offboard模式的测试，推荐使用Gazebo仿真。比如在机载电脑中修改了一些控制逻辑，打开Gazebo仿真，同时运行mavros及相应节点，将仿真的无人机切换至offboard模式，在Gazebo中测试修改的代码是否正确，十分好用！

3、PX4是如何进行仿真的

Flight stack代表飞控即PX4，Simulator代表仿真器（如Gazebo）。所有仿真器与PX4的通讯都是通过MAVLink消息来进行的，SITL使用simulator模块中的simulator_mavlink.cpp来处理这些消息，而HITL是使用mavlink模块中的mavlink_receiver.cpp来处理这些消息。梳理一下这里的消息流向：

PX4到仿真器。PX4给仿真器只会发送一个HIL_ACTUATOR_CONTROLS的MAVLink消息，熟悉PX4的应该知道这个对应的uORB消息是actuator_outputs.msg，也就是姿态控制器最后的输出控制量。这里也就意味着，混控是在仿真器中进行的，仿真器中也包含电机的模型。

仿真器到PX4。仿真器的作用就是模拟真实飞行，即模拟计算出真实飞行时的传感器状态，包括GPS，IMU等，将这些信息发送给飞控后，再由飞控中的估计模块计算出飞机状态量。

外部到PX4。这里的外部就比如地面站QGC（可以外接遥控器），Mavros，Dronecode SDK等，这里也就可以模拟我们平时控制飞机的方式。

端口号：
PX4是使用UDP来进行这些消息通讯的。单个飞机仿真时，默认的UDP设置如下：

• UDP端口 14540 用于offboard模式的通讯。is used for communication with offboard APIs. Offboard APIs are expected to listen for connections on this port.
• UDP端口 14550 用地面站的通讯。
• TCP端口 4560 用于与仿真器的通讯。 PX4 listens to this port, and simulators are expected to initiate the communication by broadcasting data to this port.

如果不涉及多个飞机的仿真，端口号默认都是设置好的，不需要修改及配置。如果是多个飞机的仿真，则需要配置每个飞机的端口号，不能重复，后续会详细介绍配置。

上述介绍适用所有的仿真器。

4、Gazebo仿真

环境搭建我这里基本就是照搬+翻译PX4的开发手册了，如有疑惑，请留言或移步手册。还是和以前的看法一致，千万不要百度，里面的解答大部分都是带着你走歪路。

首先，你要成功搭建PX4固件开发环境，你要能成功编译PX4代码。（这一步都没成功，那就先搞好这一步）如果你在搭建PX4环境时，没有顺带装一下Gazebo，可能需要单独安装（打开终端输入gazebo可以检测你的电脑是否安装gazebo）。

下面的内容我将分成非ROS下的Gazebo仿真和ROS下的Gazebo仿真。个人是推荐后者的，如果你不使用ROS，也没必要上Gazebo仿真了。

可以发现，在PX4固件中有一个文件夹Firmware/Tools这里面就是包含了jMAVSim、Gazebo仿真等一系列代码。而Gazebo仿真对应的文件夹是sitl_gazebo，这其实是一个子库，即sitl_gazebo这个git仓库。

大致看看这个文件夹里都有些什么内容。

• src文件夹。这里是核心代码，即plugin（插件）代码。比如gps、imu、电机的插件，简单说如何模拟产生gps信号，就是这里的代码负责的。Gazebo自身也会提供一些默认插件，或者第三方也会提供插件，比如你要新增一个传感器，就可以找到相应的插件。
• models文件夹。存放各种Gazebo模型文件。
• worlds文件夹。存放Gazebo的世界环境文件。

个人认为涉及到Gazebo仿真二次开发就是如上三个文件夹（如果你只是使用Gazebo仿真工具，这里你什么都不需要修改，因为已经完全搭建好了），分别对应修改模型、修改模型参数、修改世界。

5、ROS下的Gazebo仿真

除了上述的教程，在PX4开发手册中，还有一个属于Gazebo仿真的教程：ROS with Gazebo Simulation。这就是指导大家如何在ROS环境下，联合Mavros功能包进行仿真调试。我的固件按照这个教程一步一步走下来，没有任何问题。（PX4项目太大，各个部件分散，也不是商业项目，坑还是多~）

对于ROS、Mavros、Offboard模式还不清楚的小伙伴，先去补补相关概念，这里就不多做介绍了。

注意：第一步和第二步只需要做一次，设置成功后，每次直接执行第三步。但如果修改了PX4固件，那你需要重新执行第一步。

第一步：编译。

cd PX4-Autopilot

make px4_sitl_default gazebo

第二步：source。了解ros功能包应该知道这一步是为了让系统知道有这个功能包存在，相当于设置环境变量，这样终端执行的时候就不会报找不到功能包的错误。

source Tools/setup_gazebo.bash $(pwd) $(pwd)/build/px4_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:$(pwd):$(pwd)/Tools/sitl_gazebo

推荐大家手动source，打开终端输入gedit .bashrc。在弹出的txt文件最后一行，加入上述内容。值得注意的是，$(pwd)是要替换成对应的目录路径（PX4固件所在目录），我的路径是 /home/cgd/PX4-Autopilot（cgd是我的电脑名字，PX4-Autopilot是我存放固件的文件夹名字）。于是我的修改内容如下：

source /home/cgd/PX4-Autopilot/Tools/setup_gazebo.bash /home/cgd/PX4-Autopilot /home/cgd/PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/home/cgd/PX4-Autopilot:/home/cgd/PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo

每次打开新终端，如下图所示，这是正确的。

第三步：运行Gazebo仿真

roslaunch px4 posix_sitl.launch

因为会运行Gazebo，第一次启动会比较慢，耐心等待。启动成功后，会看到Gazebo中有一个iris无人机。这时你可以打开QGC地面站，地面站会默认连接这台飞机，你可以尝试利用地面站发送起飞指令测试。

ubuntu版QGC下载地址：Download and Install · QGroundControl User Guide

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
chmod +x ./QGroundControl.AppImage
./QGroundControl.AppImage

这个启动脚本位于Firmware/launch文件夹中，同时在此文件夹中，你还能看到其他类似的启动脚本。这里建议大家单独启动Mavros，而不是用它提供的另一个启动脚本同时启动（因为一个终端显示太多东西的话，报错你都看不到）。

 

第四步：运行Mavros

roslaunch mavros px4.launch fcu_url:="udp://:[email protected]:14557"

此处我建议Mavros功能包使用二进制安装，比较省事。可以看到这里启动mavros时配置了一些端口参数（端口匹配才能成功连接），后续我会在PX4仿真模块中找到与之对应的参数配置。

尝试读取飞空的IMU数据，打开终端，输入

rostopic echo /mavros/imu/data

当然，除去imu消息，还有很多其他消息，可以使用下面指令查看都有哪些消息。

rostopic list

6、多机Gazebo仿真

在单个飞机仿真没问题之后，才能执行这一步。

roslaunch px4 multi_uav_mavros_sitl.launch

这是官方提供的多机仿真启动脚本，只提供了两架飞机，现在给出如何增加一台飞机的方法。

• 在启动脚本中 multi_uav_mavros_sitl.launch增加 UAV3
  • 复制一个组 (UAV1 or UAV2)
  • 将 ID 这个参数设置为 3
  • 为 mavlink_udp_port 这个参数选择一个新的端口号，用于与Gazebo通信。
  • 修改fcu_url 这个参数，用于与mavros通信。

• 创建一个新的rcS启动文件:

  • 从启动文件中复制一个 (iris_1 or iris_2)，并重命名为 iris_3。
  • MAV_SYS_ID 修改为 3；
  • SITL_UDP_PRT 值要与位于启动脚本中 mavlink_udp_port 参数匹配；
  • 第一个 mavlink start 端口号要与 mavlink stream 端口号一致，用于与QGC通信。
  • 第二个 mavlink start 端口号要与启动脚本中 fcu_url 参数一致。