Gazebo仿真¶

PX4提供了一种全自主飞行控制方式，offboard模式。而阿木社区具有一套完整，可靠的系统体系。阿木社区的学员们在购买我们的飞机回去之后发现对我们的系统体系还不是了解，导致操作不当还是会有很多炸机现象，为了让学员们更加了解系统体系的种种情况，现推出仿真环境平台, 对阿木系统体系的仿真模拟。有了这一套仿真系统，可以在不用实际飞行情况下理解阿木系统体系中的逻辑，减少实际飞行中炸机的发生。本篇文章中，会讲解如何使用系统体系控制无人机飞行。本套仿真平台在 Ubuntu16.04（16.04.6）LTS，ROS-Kinetic（1.12.14）， Firmware（1.9.2），QGroundControl-v3.3.2，交叉编译工具链为gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major-linux，mavros的二进制安装，测试通过。先从搭建环境开始讲起吧。

第一节硬件准备¶

本套仿真环境既可以在Windows下面的VMware下面搭建,也可以在实体机上面搭建.Windows虚拟机VMware下面我们提供搭建好了的开发环境, 包括PX4开发环境,mavros环境,ROS环境.但是,需要注意,虚拟机上运行会很卡,如果有显卡的话,打开3D加速,不是很卡顿.

本篇文章是在实体机上搭建环境的,电脑配置如下:显卡NVIDIA GTX2060;CPU为AMD Ryzen 5 3600 6-Core Processor × 12,内存大小为16G,256固态硬盘

第二节软件配置¶

小技巧

软件相关资料百度网盘链接如下:内容如下图所示,含有环境安装所需相关脚本,QGC三大系统的安装包,Ubuntu16.04长期支持版镜像文件,gcc7.2.0交叉编译工具包,以及最后的gazebo模型文件包.

链接：https://pan.baidu.com/s/1wlLhcF07AAe0zTqcOdTEag 提取码：uv2u

1.Ubuntu16.04操作系统¶

用UltraISO制作U盘启动盘，步骤如下:

打开UltraISO软件，打开文件，选择要安装的Ubuntu版本，安装的镜像是Ubuntu-16.04.6，偶数版本表示长期(5年)维护的系统镜像，在2021年之前是支持的。
接着我们点击启动->写入磁盘映像，进入下面的界面，在制作 Ubuntu的U盘启动盘的时候，要选择RAW。之前也尝试过其他的写入方式，偶尔会成功，偶尔会失败。但选择RAW之后，装的好几次都是成功了的，所以建议用RAW写入方式。
之后就是把U盘格式化，然后点击写入即可，等待……（长短取决于电脑性能），待完成之后U盘启动盘就制作成功了。

安装Ubuntu系统

插上U盘，开机启动选项中设置U盘启动即可，一般不同的电脑进入BIOS的方式不同。之后的安装很简单，百度上有很多教程，按照教程安装即可完成安装。本次安装是一块新的256固态硬盘,全盘直接安装的是Ubuntu系统，所以没有什么分区设置。在安装完Ubuntu系统的第一件事情就是用户组的添加

sudo usermod -a -G dialout $USER

Ubuntu系统的技巧设置

技巧一刚装完Ubuntu后发现分辨率很低，屏幕看起来很别扭。查看了一下，分辨率只有640x480，然而我的屏幕是1920x1080的。然后通过改 xrandr和cvt都无效。经过一番查找,找到解决方案，修改grub默认的分辨率，具体过程如下： sudo gedit /etc/default/grub 找到: #GRUB_GDXMODE=640x480 改为: GRUB_GDXMODE=1920x1080 然后更新一下grub: sudo update-grub 最后重启电脑即可
技巧二建议在安装完系统之后，只留下现在所使用的版本的内核，删除其余多余的内核，并且禁用内核的更新，否则过段时间，系统默认启动更新后的内核。(具体的如何禁用设置上网一搜索便可找到)
安装显卡驱动，Ubuntu默认的显卡驱动是nouveau，你需要安装与你显卡相匹配的驱动程序。以NVIDIA驱动为例，首先是查看自己显卡，发现是设备ID为1f08，通过 NVIDIA驱动ID查看搜索发现该驱动是GTX2060，然后我们到 NVIDIA驱动程序下载下载相应的驱动下载相应的驱动安装程序。安装的过程你可以参考这篇文档 NVIDIA驱动安装 .在参考该文档的时候, 在安装驱动的时候可以不选择后面的可选配置,比如 -no-x-check,-no-nouveau-check 等选项.直接安装也可以,但是有时候,安装完成之后出现循环登录问题,请重新多安装几次(修改可选配置安装).

如下命令就是查看自己电脑当前可用的显卡,获取到NVIDIA显卡的设备ID
amov@amov:~$ lspci | grep VGA
0a:00.0 VGA compatible controller: NVIDIA Corporation Device 1f08 (rev a1)

2.PX4环境安装¶

参考官方文档 Ubuntu下px4开发环境搭建 .

警告

该文档链接是在当时环境下的master文档,对应的是1.8.2的wiki文档,你现在所在的master页面是最新的wiki文档,你需要在左上角由master切换到1.8.2

下载好软件相关资料,将安装脚本放置home下面,给脚本可执行权限并执行这个脚本。

chmod +x sim_env.sh
sudo ./sim_env.sh

这个安装的快慢与你的网速有关。这个脚本本身是没有安装交叉编译工具链,也没有下载Firmware固件的,也没有安装gazebo.该脚本如果你正常安装且没有安装错误, 那么px4编译环境装好,然后再安装gazebo9软件,安装交叉编译工具包,最后下载px4固件Firmware,编译固件并编译仿真.

上面sim_env.sh脚本执行完成之后,然后安装gazebo9

chmod +x gazebo9_env.sh
sudo ./gazebo9_env.sh

接着安装交叉编译工具包，手动安装交叉编译工具链：下载软件相关资料,找到gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major-linux.tar.bz2, 之后复制(+sudo)放到/opt/之下，解压,下所示本机的gcc的路径

amov@amov:/opt$ sudo tar -jxvf gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major-linux.tar.bz2
amov@amov:/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/bin$ pwd
/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/bin

然后打开/etc/profile文件，如下

amov@amov:/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/bin$ sudo gedit /etc/profile

在最下面添加一行

export PATH=$PATH:/opt/gcc-arm-none-eabi-7-2017-q4-major/bin

路径就是gcc存放的路径。接着source一下刚才修改的/etc/profile

source /etc/profile

测试安装gcc是否成功，输入

arm-none-eabi-gcc --version

若出现如下类似，说明安装成功

arm-none-eabi-gcc (GNU Tools for Arm Embedded Processors 7-2017-q4-major) 7.2.1 20170904 (release) [ARM/embedded-7-branch revision 255204]
Copyright (C) 2017 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

若输出是：

arm-none-eabi-gcc --version
arm-none-eabi-gcc: No such file or directory

需要安装32位支持库此链接查看详细步骤

sudo apt-get install libc6:i386 libgcc1:i386 libstdc++5:i386 libstdc++6:i386

现在PX4环境配置已经完成，之前在运行ubuntu_sim.sh脚本中下载过Firmware，建议重新下载一个PX4固件。

amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2$ ls
amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2$ git clone https://github.com/PX4/Firmware.git
Cloning into 'Firmware'...
remote: Enumerating objects: 278734, done.

下载完之后，我们进入到Firmware中，下载的还需要更新子模块

amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2$ cd Firmware/
amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware$ git checkout v1.8.2
amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware$ git submodule update --init --recursive

漫长等待之后，就可以编译源码了，先试试最基本的能力。首先是编译源代码

amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware$ make px4fmu-v5_default

若编译成功的话，再执行编译最基本的gazebo仿真

amov@amov:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware$ make posix_sitl_default gazebo

到此为止，说明你的PX4环境配置已经搭建完成了。下来我们会配置与Ubuntu16.04系统对应的ROS Kinetic版本。

小技巧

在px4固件代码v1.8.2之前的编译规则和v1.8.2之后的编译规则略有不同,

v1.8.2中编译v5固件命令为 make px4fmu-v5_default.v1.9.2中编译v5固件命令为 make px4_fmu-v5_default

v1.8.2中编译gazebo仿真命令为 make posix_sitl_default gazebo . v1.9.2中编译gazebo仿真命令为 make px4_sitl_default gazebo

3.ROS-Kinetic安装¶

ROS-Kinetic的安装参考 ROS-Kinetic官网安装教程需要注意的一点是，在安装ROS时候，国内最好选择镜像来自中科大的源或者是清华的源，其他就是按照官网提示一步步安装即可。

小技巧

安装ROS（有700MB到800MB）完成之后，查看是否安装成功，如下表示安装ROS完成。

特别注意,在上面我们安装好px4的编译环境时候,安装的gazebo9,在安装ROS-Ubuntu16.04-kinetic的时候,会默认将之前系统的gazebo卸载,并重新安装gazebo7. 但在实际过程中,gazebo9更为好使用,兼容性也更好,所以在安装ROS-kinetic时候不要选择安装 sudo apt-get install ros-kinetic-desktop-full , 而应该选择 sudo apt-get install ros-kinetic-desktop.这点需切记.

amov@amov:~$ roscore
... logging to /home/amov/.ros/log/d98e04fe-b1ca-11e9-bf5f-e0d55ee7d1ba/roslaunch-amov-23391.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://amov:39279/
ros_comm version 1.12.14


SUMMARY
========

PARAMETERS
* /rosdistro: kinetic
* /rosversion: 1.12.14

NODES

auto-starting new master
process[master]: started with pid [23401]
ROS_MASTER_URI=http://amov:11311/

setting /run_id to d98e04fe-b1ca-11e9-bf5f-e0d55ee7d1ba
process[rosout-1]: started with pid [23414]
started core service [/rosout]

4.mavlink与mavros安装¶

mavlink与mavros的安装参考 mavros官方安装

最好最清晰的安装过程便是官方提供的步骤,以安装二进制的方式安装mavros,还需要安装geographiclib,可别忘了.

5、下载QGroundControl¶

本系统的qgc版本是v3.3.2，是通过Qt5.11.0编译生成的。建议直接下载可执行程序，可参考开发者手册 QGC下载与安装

第三节仿真过程¶

上节中，我们已经搭建好PX4仿真的环境了，而本节旨在下载阿木社区的源码，并且建立新的工作空间到个人工作路径下，然后配置仿真所使用的固件版本的选择以及环境配置，最后进行仿真操作。先从如何下载阿木社区源码说起

1.打开阿木社区的GitHub¶

上网进入 amovlab 阿木实验室维护的GitHub.

2.下载源码并建立工作区间¶

详细的建立工作空间请查看阿木社区GitHub上的项目 px4_commander. 或者如下链接：px4_command

建立好工作空间之后，笔者的工作空间如下：

amov@amov:~/AMOV_WorkSpace$ cd px4_ws/
amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws$ ls
build  devel  src
amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws$ cd devel/
amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws/devel$ ls
cmake.lock  lib               local_setup.zsh  _setup_util.py
env.sh      local_setup.bash  setup.bash       setup.zsh
include     local_setup.sh    setup.sh         share
amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws/devel$

打开.bashrc 文件

amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws/devel$ sudo gedit ~/.bashrc

需要在.bashrc 文件最后添加一行如下：

source ~/AMOV_WorkSpace/px4_ws/devel/setup.bash

3.添加环境变量 .bashrc 文件添加如下¶

source ~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware/Tools/setup_gazebo.bash ~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware/ ~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware/build/px4_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:~/Desktop/px4-src/src-1.8.2/Firmware/Tools/sitl_gazebo

4.启动仿真¶

进入工作区间仿真部分目录下，可以看到有6个脚本文件

amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws/src/px4_command/sh/sh_for_simulation$ ls
sitl_gazebo_formation.sh       sitl_gazebo_square.sh
sitl_gazebo_iris.sh            sitl_jMAVSim_pos_controller.sh
sitl_gazebo_pos_controller.sh  sitl_test.sh

启动sitl_gazebo_iris.sh脚本,执行如下

amov@amov:~/AMOV_WorkSpace/px4_ws/src/px4_command/sh/sh_for_simulation$ ./sitl_gazebo_iris.sh

即可进入仿真界面。

第四节仿真脚本说明¶

1.脚本sitl_gazebo_iris.sh¶

正常启动sitl_gazebo_iris.sh腳本，基本操作流程和实体飞机操作流程一致。先起飞3m,如下图:

接着,我们在Move_Body坐标系下,x,y,z分别为1,1,0.飞行轨迹如下图:

最后我们执行一下land模式,如下图:

存在Bug描述：

若起飞之后飞机降落至地面，无法进行再次起飞。（和实体飞机一致现象）
在ENU坐标系下，若使用速度控制，进行起飞2M，飞机一致向上飞，不会停止，在gazebo中，飞至26M，切换至悬停模式，无法成功相应，飞至30M，切换至land，正常降落。
经过多次测试，move节点中，按键4hold模式无响应，在两种坐标系下的速度控制中，飞机一直向上飞。
在passivity控制率下，正常设置起飞3M，飞机纯粹油门量最大向上直飞，到达53M左右之后，有姿态角的迅速降落，直至炸机。
在NE控制率下，正常设置起飞3M，飞机纯粹油门量最大向上直飞，一直飞。

2.脚本sitl_gazebo_square.sh¶

注解

直接下载的px4_command是没有sitl_gazebo_square.sh该脚本的,需要手动添加该脚本.首先可以建立一个新的可执行脚本sitl_gazebo_square.sh,添加下面内容:

gnome-terminal –window -e ‘bash -c “roscore; exec bash”’ 
–tab -e ‘bash -c “sleep 4; roslaunch px4 posix_sitl.launch; exec bash”’ 
–tab -e ‘bash -c “sleep 2; roslaunch mavros px4.launch fcu_url:=”udp://:14540@127.0.0.1:14557”; exec bash”’ 
–tab -e ‘bash -c “sleep 2; roslaunch px4_command px4_pos_controller.launch; exec bash”’ 
–tab -e ‘bash -c “sleep 2; rosrun px4_command set_mode; exec bash”’ 
–tab -e ‘bash -c “sleep 2; roslaunch px4_command square.launch; exec bash”’ 

正常启动sitl_gazebo_square.sh脚本。确定并初始化px4_pos_controller节点。然后在set_mode节点中切换至offboard模式。检查square节点中，按键１执行飞正方形。最后在qgc中解锁飞机，飞机正常按照Point点进行飞行。

在飞机飞正方形的时候,有5个point点的设置,飞行过程部分截图如下 point1:

point2:

point4:

point5:

3.脚本sitl_gazebo_formation.sh¶

下载下来的px4_command也可能不能直接进行多机仿真,在自己本机下面的固件代码中的launch文件需要改一下名称,可能没有three_uav_mavros_sitl.launch. 需要将现有的multi_uav_mavros_sitl.launch改为three_uav_mavros_sitl.launch . 运行仿真之后可能只出现两架飞机,原因是,在px4_command中的多机仿真用的是uav0,uav1,uav2, 而在你下载的固件代码中只有uav1,uav2.没有uav0,这时候你需要手动添加一个uav0出来,才能多机(3架飞机)仿真跑起来.

正常启动sitl_gazebo_formation.sh，在启动正常的情况下（qgc可以连接上三个飞机），此时确认formation_control节点并初始化，按照ENU坐标系下，设置坐标点，三架飞机同步执行动作。如下图: