px4+vio实现无人机室内定位

文章主要讲述px4 如何利用vins_fusion里程计数据实现在室内定位功能。

文章基于以下软、硬件展开。

硬件	软件
机载电脑： Intel NUC	系统：Ubuntu 20.04
相机： Intel Realsense D435i	ros：noetic
飞控：Pixhawk 2.4.8	固件：PX4 1.14.0

完整vins_to_mavros 功能包地址：
https://github.com/rotorcraftman/px4ctrl

随着slam开源技术的普及，px4 要实现室内定位，实现方式很多，如文章使用的vins-fusion等视觉里程计，激光里程计等。
本质上，要实现无人机的室内定位有两个方法：
1.提供室内位置信息
室外可以用gps提供位置信息，实现定位，而室内因为gps没有信号，所以朴素的想法是只要提供位置信息给飞控就可实现像室外gps定位的效果了。
思路：
vio提供里程计—>(/mavros/vision_posion/pose)mavros(mavlink)—>px4
可以看出mavros起到了连接vio和px4的桥梁作用。
2.offboard
外部计算机遵守照MAVLink 协议提供的位置，速度或姿态设定值。 设定值可以由机载计算机上运行的 MAVLink API（例如 MAVSDK (opens new window) 或 MAVROS (opens new window)）提供（通常通过串口或 wifi 连接）。
3.光流、UWB等。

接下来详细讲述第一种实现方式，vio以vins_fusion为例。

文章叙述展开方式默认已完成了px4飞控的建立、mavros的安装，未完成的同志可参考上一篇文章：
gazebo11+px4联合仿真测试

一、Pixhawk MAVLink Ports配置

配置Pixhawk Telem2作为与机载电脑数据交互的MAVLINK端口

MAV_1_CONFIG= TELEM 2
MAV_1_MODE = Onboard
SER_TEL2_BAUD = 921600 8N1

设置前参数里可能只有MAV_1_CONFIG，搜不到其他的参数，将MAV_1_CONFIG设置为TELEM 2，然后把飞控重启后其他参数就有了。
Pixhawk 2.4.8硬件，设置为102，参数对应关系如下。

详细参数介绍参见：https://docs.px4.io/main/en/advanced_config/parameter_reference.html

Pixhawk 2.4.8 TELEM1/TELEM2端口设置如下：

TELEM1	TELEM2
MAV_0_CONFIG = TELEM 1	MAV_1_CONFIG = TELEM 2
MAV_0_MODE = Normal	MAV_1_MODE = Onboard
MAV_0_RATE= 1200 Bytes/s	MAV_1_RATE= 0 (Half maximum)
MAV_0_FORWARD = True	MAV_1_FORWARD = Disabled
SER_TEL1_BAUD = 57600	SER_TEL2_BAUD = 921600

详细端口设置参见：https://docs.px4.io/main/en/peripherals/mavlink_peripherals.html

配置好端口后，需要做一根连接机载电脑和Pixhawk TELEM 2 端口的线，我这边直接用一个USB转TTL模块。
Pixhawk TELEM1 / TELEM2 端口线序图如下：

Pin	Signal	Volt
1 (red)	VCC	+5V
2 (blk)	TX (OUT)	+3.3V
3 (blk)	RX (IN)	+3.3V
4 (blk)	CTS (IN)	+3.3V
5 (blk)	RTS (OUT)	+3.3V
6 (blk)	GND	GND

其它端口详见：https://docs.px4.io/main/en/flight_controller/pixhawk.html#where-to-buy

展示一张做好的端子连接线如下：

在qgc上测试通信是否正常。

qgc-Application Settings-通讯连接-添加，设置如下。

正常情况下，就可通过TELEM 2连上QGC了。

二、在机载电脑上启动MAVROS

我这里用的是nuc的usb，设备名称：dev/ttyUSB0，按照自己实际情况配置。921600是波特率，就是前面设置的SER_TEL2_BAUD参数，改成设置值就行。

roslaunch mavros px4.launch fcu_url:=serial:=/dev/ttyUSB0:921600 gcs_url:=udp://@172.16.7.210

gcs_url：运行qgc主机的IP地址。
如果不想设置ip，可以设置为以下参数自动寻址。

roslaunch mavros px4.launch fcu_url:=serial:=/dev/ttyUSB0:921600 gcs_url:=udp-b://@

若出现报错
FCU: DeviceError:serial:open: Permission denied

解决方法是给对应的串口权限

sudo chmod 777 /dev/ttyUSB0

三、vins_fusion、mavros建立连接

思考vins_fusion的里程计数据如何发布给px4？
这也是实现室内定位的关键。实现这一步只需将vins_fusion里程计数据以话题 /mavros/vision_pose/pose 发布，mavros 收到/mavros/vision_pose/pose话题后，转化成mavlink通过TELEM 2传给飞控。于是就完成了vins_fusion和px4的连接。

接下来创建发布 /mavros/vision_pose/pose 话题的功能包过程了

1.创建工作空间px4ctrl

mkdir -p px4ctrl/src/
cd px4ctrl/src/

2.创建功能包vins_to_mavros

catkin_create_pkg vins_to_mavros roscpp std_msgs geometry_msgs mavros_msgs nav_msgs tf2_eigen tf

在px4ctrl/src/vins_to_mavros/src/ 目录下创建一个 vins_to_mavros 节点，主要功能：
（1）将 VINS-Fusion 的 body 坐标系在 world 坐标系下为位姿转化为 base_link 在 map 坐标系中的位姿；
（2）将转化后的位姿信息以话题 /mavros/vision_pose/pose 发布。

#include 
#include 
#include 
#include 
 
 
Eigen::Vector3d p_mav;
Eigen::Quaterniond q_mav;
 
 
void vins_callback(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr &msg)
{
    if(msg->header.frame_id == "world")
    {
        p_mav = Eigen::Vector3d(msg->pose.pose.position.y, -msg->pose.pose.position.x, msg->pose.pose.position.z);
 
        q_mav = Eigen::Quaterniond(msg->pose.pose.orientation.w, msg->pose.pose.orientation.x, msg->pose.pose.orientation.y, msg->pose.pose.orientation.z);
        Eigen::AngleAxisd roll(M_PI/2,Eigen::Vector3d::UnitX()); // 绕 x 轴旋转 pi / 2
        Eigen::AngleAxisd pitch(0,Eigen::Vector3d::UnitY());
        Eigen::AngleAxisd yaw(0,Eigen::Vector3d::UnitZ());
 
        Eigen::Quaterniond _q_mav = roll * pitch * yaw;
        q_mav = q_mav * _q_mav;
    }
}
 
 
int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "vins_to_mavros");
    ros::NodeHandle nh("~");
 
    ros::Subscriber slam_sub = nh.subscribe<nav_msgs::Odometry>("odom", 100, vins_callback);
 
    ros::Publisher vision_pub = nh.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>("vision_pose", 10);
 
 
    // the setpoint publishing rate MUST be faster than 2Hz
    ros::Rate rate(20.0);
 
    ros::Time last_request = ros::Time::now();
 
    while(ros::ok()) {
        geometry_msgs::PoseStamped vision;
 
        vision.pose.position.x = p_mav[0];
        vision.pose.position.y = p_mav[1];
        vision.pose.position.z = p_mav[2];
 
        vision.pose.orientation.x = q_mav.x();
        vision.pose.orientation.y = q_mav.y();
        vision.pose.orientation.z = q_mav.z();
        vision.pose.orientation.w = q_mav.w();
 
        vision.header.stamp = ros::Time::now();
        vision_pub.publish(vision);
 
        ROS_INFO("\nposition:\n   x: %.18f\n   y: %.18f\n   z: %.18f\norientation:\n   x: %.18f\n   y: %.18f\n   z: %.18f\n   w: %.18f", \
        p_mav[0],p_mav[1],p_mav[2],q_mav.x(),q_mav.y(),q_mav.z(),q_mav.w());
 
        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }
 
    return 0;
}

3.配置 CMakeList.txt 文件

找到相应位置添加

add_executable(vins_to_mavros_node src/vins_to_mavros.cpp)
target_link_libraries(vins_to_mavros_node  ${catkin_LIBRARIES})

4.创建vins_to_mavros节点的launch文件

在目录px4ctrl/src/launch/ 创建vins_to_mavros.launch

<launch>
    <node pkg="vins_to_mavros"  type="vins_to_mavros_node" name="vins_to_mavros" output="screen">
        <remap from="~vision_pose" to="/mavros/vision_pose/pose" />
        <remap from="~odom" to="/vins_estimator/odometry" />
    </node>
</launch>

5.编译

cd px4ctrl
catkin_make
source devel/setup.bash

6.验证

启动vins_to_mavros节点

roslaunch vins_to_mavros vins_to_mavros.launch

查看话题

rostopic list

显示如下：

PS：此处坐标系转化适配的是Realsense D435i相机，如其它相机需要根据相机imu坐标系与px4坐标系进行相应的转换。

四、联调测试

联调测试的基础是：
1.vins_fusion里程计精度尚可，且具有一定的鲁棒性；
2.px4飞控在自稳模式下手动可控、达到可飞条件。

关于vins_fusion的相关调试参见系列文章：
https://blog.csdn.net/u010196944/article/details/127240169

1.px4飞控设置

将px4定位数据源设置为vinsion，参数EKF2_AID_MASK设置为24，具体如下：

2.在终端依次输入：

此时qgc已连上，可在qgc作如下验证。

Analyze Tools-MAVlink检测，出现了LOCAL_POSITION_NED数据，如下：

验证：
（1）前后左右移动飞机，看看位置是否正确。
（2）前后移动飞机后，放回原位置看位置数据偏差是否大。

验证没问题之后，就可以起飞，通过qgc或者遥控器切换定位模式了。

完结，希望你一切顺利，不“炸鸡”。

参考

1.https://blog.csdn.net/u010196944/article/details/127240169
2.https://docs.px4.io/main/en/
3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/364390798
4.https://blog.csdn.net/qq_44998513/article/details/133144421?spm=1001.2014.3001.5502