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发表于 2019-7-2 12:26:42 892 浏览 6 回复

[入门教程] PX4-Gazebo仿真

今天,给大家介绍下PX4开源飞控项目中一个强大的功能-Gazebo仿真。

Gazebo仿真是PX4提供众多仿真工具中的一个。它在PX4代码中(Firmware/Tools/ sitl_gazebo)也是一个单独出来的仓库。

PX4中都有哪些仿真工具?他们都有什么区别?

官方介绍请移步:PX4-开发手册-仿真

仿真首先分为软件在环仿真(SITL)和硬件在环仿真(HITL)。目前来看,软件在环仿真更简单实现及方便。我就读的课题组就是专门做导弹的半实物仿真的,个人认为硬件在环仿真需要加上转台才能真正意义发挥出作用,不然只是在Pixhawk板子上跑仿真环境,毫无指导意义。

软件在环仿真一共是有jMAVSimGazeboAirSim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,在各个仿真器比较的表格里,PX4官方是这么说Gazebo仿真的:This simulator is highly recommended.

一般而言,如果我是修改了PX4固件内的代码,比如修改了姿态控制器,我会用jMAVSim调试,同时打开地面站,利用定点及自稳模式进行飞行测试,还能下载log看看记录的量对不对。jMAVSim不吃电脑配置,运行比较流畅,适合快速验证PX4内部代码逻辑及检查修改固件后的BUG。

如果我需要用到px4_command及mavros包来进行offboard模式的测试,我会使用Gazebo仿真。比如我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中测试我修改的代码是否正确,十分好用!

这只是我个人的使用习惯,正常来讲,我后面说的那个功能用jMAVSim也能做,但你既然都跑ROS了,肯定用一个和ROS相关的仿真器更加好用一点。jMAVSim比不过Gazebo的一点是它无法进行固定翼、小车的仿真(但我也没试过),以及无法进行视觉类的仿真,无法修改飞行环境等等。具体Gazebo还能做什么,可以自行百度,或参阅Gazebo官网,毕竟光学Gazebo就够一个人学一段时间的了(这点就和ROS一样,但放到我们场景中来说,还是你需要什么就学什么,不然你永远都学不完)。

总而言之,Gazebo仿真功能强大,值得推荐!

PX4的仿真是如何进行的?

enter image description here

上一张官方图,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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

    下面这张图更清楚的表示出了PX4与各个部分之间的关系。仿真器包含了传感器和执行机构的模型,负责产生传感器的原始数据和执行最后的底层控制指令;Offboard API及QGC负责发送传输上层指令(位置期望点、速度期望值等)并且监控飞机状态;PX4固件本身则运行控制及估计模块(即飞控核心算法)。

enter image description here

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。

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。

非ROS下的Gazebo仿真

按照PX4手册中的Gazebo仿真教程,进行四旋翼仿真应该是

 cd ~/src/Firmware
 make px4_sitl gazebo

我的固件用这个指令失败了,但其他小伙伴执行这一步却正常运行了。原因暂不清楚,这里待补充。

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 ~/src/Firmware
 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:$(pwd)
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:$(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/fly_vision/px4_amov/Firmware(fly_vision是我的电脑名字,px4_amov是我存放固件的文件夹名字)。于是我的修改内容如下:

source /home/fly_vision/px4_amov/Firmware/Tools/setup_gazebo.bash /home/fly_vision/px4_amov/Firmware /home/fly_vision/px4_amov/Firmware/build/posix_sitl_default 
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/home/fly_vision/px4_amov/Firmware
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/home/fly_vision/px4_amov/Firmware/Tools/sitl_gazebo

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(如果报错,请关闭终端再次尝试,我的i5笔记本经常启动失败,这是你的笔记本提示你该花钱了的正常现象)。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。

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://:14540@127.0.0.1:14557"

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

第四步:运行px4_command

px4_command功能包是阿木社区最新推出的科研无人机P200中的核心代码,暂时未开源。有需求的小伙伴可以联系我或者阿木社区负责人购买。

目前,我利用Gazebo仿真复现了px4_command功能包中的除去视觉之外的绝大部分功能,比如惯性系移动、机体系移动、悬停、降落等控制逻辑。除此之外,重新设计了位置控制器,设计了基于UDE的外环控制器,在仿真环境中进行了测试。总体用下来,感觉Gazebo仿真是进行二次开发的利器。比如,我修改了一些px4_command中控制无人机的上层代码,以前我只能通过真实飞行进行测试,那样有炸鸡危险。现在,我只需要使用Gazebo仿真,模拟真实飞行中的命令,在仿真环境中查看飞机的表现。值得注意的是,目前还只能检查代码的逻辑错误,及发送给飞控指令是否正确。自然不能100%仿真复现真实飞行中的轨迹,这是由于飞机的模型,传感器的模型,执行机构的模型都不是你真实飞行时的模型。

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。

这里比较混乱,建议大家亲手做一遍,加深理解。但是,我也会分享我修改后的两个文件给大家参考。

关于作者

阿木实验室科研无人机技术负责人、Mavros培训课程主讲老师、北理工博士

对任何与四旋翼无人机有关的话题感兴趣,欢迎交流。

个人微信号:qyp0210



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发表于 2019-7-2 16:42:21
关于文中提到的airsim仿真,大家可以参考链接 http://bbs.amovauto.com/forum.ph ... &extra=page%3D1  
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发表于 2019-7-10 16:38:38
楼主你好,  我正在搭建PX4 gazebo仿真环境   ,用了网上的各种博客,,最后编译 make px4v3_default   出了很多错误
陷入坑中 ,求解救
有搭建px4+gazebo完整教程吗
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发表于 2019-7-10 16:40:00

1v蛮好看吗

本帖最后由 Kevin2019 于 2019-7-15 17:07 编辑

客户和海军航空和
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发表于 2019-7-10 16:41:28
Kevin2019 发表于 2019-7-10 16:38
楼主你好,  我正在搭建PX4 gazebo仿真环境   ,用了网上的各种博客,,最后编译 make px4v3_default   出 ...

你PX4编译就没通过吧。。。PX4编译坑很多,可以先用阿木社区提供的那个镜像先用着
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发表于 2019-7-15 16:54:21
楼主  求多机仿真完整教程
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 楼主| 发表于 2019-7-15 23:24:50
Kevin2019 发表于 2019-7-15 16:54
楼主  求多机仿真完整教程

等我写完吧。如果不是我们p200无人机的客户,可能会收费
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