无人机的计算机仿真模拟控制

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⏰️创作时间：2024年12月3日10点24分

神秘男子影,
  秘而不宣藏。
泣意深不见,
男子自持重,
   子夜独自沉。

论文链接

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概述

所有的机械相关载具在投入到现实世界中应用或测试之前，为了节省制造成本和避免不必要的意外发生，都会先在仿真软件中先模拟设备的操作和流程。这一方面不仅减少了意外发生的可能，也大幅度的减低了测试的时间和成本，达到一个可以快速对代码测试、修改、重复的功效。这篇文章里着重会提到目前最主流的无人机仿真测试程序——新手友好的入门级Gazebo Classic Simulator。为了方便查看无人机在仿真环境中的运行过程以及它的路径，会再安装QGroundControl来方便查看无人机状态（包括位置数据，全球地图定点标记，无人机速度和高度等）

Gazebo Classic起飞展示

Gazebo Classic Simulator环境仿真图：

QGroundControl图形界面：

QGroundControl连接了仿真环境中的无人机后所显示的卫星地图和定点标记：

Gazebo Classic的安装

安装Gazebo Classic Simulation步骤如下：

sudo apt install curl wget python3
curl -sSL http://get.gazebosim.org | sh
sudo sh -c 'echo "deb http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'
wget https://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - | sudo apt-key add -
sudo apt-get update
sudo apt-get install gazebo11 libgazebo11-dev
gazebo    # 打开 Gazebo Classic 验证是否已成功安装

Gazebo Classic Simulation需要搭配PX4-Autopilot固件才能实现无人机的控制与仿真，所以PX4-Autopilot的安装如下：

sudo apt install git
cd ~    # 回到主目录里以便 PX4 的目录方便查找
git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --recursive
bash ./PX4-Autopilot/Tools/setup/ubuntu.sh
sudo apt-get install protobuf-compiler libeigen3-dev libopencv-dev -y

PX4-Autopilot需要用到GeographicLib的数据集，下载步骤如下：

wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
sudo bash ./install_geographiclib_datasets.sh

实现无人机的自主操控通常会搭配ROS进行控制，所以ROS安装如下：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc | sudo apt-key add -
sudo apt update
sudo apt install ros-noetic-desktop-full
echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
echo "export ROS_DISTRO=noetic" >> ~/.bashrc    # 把 ROS 的版本放到 bashrc 里边以便后续使用
source ~/.bashrc

ROS安装完毕后可以开始编译PX4的固件了，需要先去到安装PX4的目录里面再进行固件编译：

cd ~/PX4-Autopilot
DONT_RUN=1 make px4_sitl_default gazebo
echo "source /home/${USER}/PX4-Autopilot/Tools/simulation/gazebo-classic/setup_gazebo.bash /home/${USER}/PX4-Autopilot /home/${USER}/PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default" >> ~/.bashrc
echo "export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:$/home/${USER}/PX4-Autopilot" >> ~/.bashrc
echo "export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/home/${USER}/PX4-Autopilot/Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_gazebo-classic" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
roslaunch px4 mavros_posix_sitl.launch

经过如上步骤以后PX4，Gazebo Classic Simulation，ROS1 Noetic以及MAVROS就已经全部安装并编译完毕。后续要跑PX4和Gazebo Classic的时候只需要在终端敲下指令：

roslaunch px4 mavros_posix_sitl.launch

就可以打开Gazebo Classic，并自动连接PX4 SITL固件了。打开了Gazebo Classic和PX4 SITL后可以在另一个终端输入：

rostopic echo /mavros/local_position/odom

既可以通过ROS接受无人机在Gazebo Classic仿真环境中的位置数据。回到开启PX4 SITL固件的那个终端，pxh固件终端里面输入：

pxh> commander takeoff

既可以操控PX4无人机在仿真环境中起飞，可以通过添加 --help 来查看哪一些命令可以被使用。

QGroundControl的安装

在安装QGroundControl之前需要先设置计算机以及把所有的依赖包先安装下来，所以需要在终端执行一下代码：

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
sudo apt install libfuse2 -y
sudo apt install libxcb-xinerama0 libxkbcommon-x11-0 libxcb-cursor-dev -y

依赖项处理完毕后再点击 QGroundControl 来下载Ubuntu AppImage程序包。下载完毕后需要去到下载目录里面并执行：

cd ~/Downloads
chmod +x ./QGroundControl.AppImage
./QGroundControl.AppImage    # 可以终端运行或者双击 AppImage 文件

QGroundControl用户见面就会弹出，并自动连接仿真环境中的无人机（若Gazebo Classic已经打开）。

ROS操控仿真无人机

从上面的步骤中，所有的环境包括Gazebo Classic仿真环境都已经设置完毕，下面开始展示如何通过ROS话题来操控Gazebo Classic里面的无人机。首先在终端启动PX4固件，Gazebo Classic，ROS Noetic以及MAVROS，运行以下指令即可：

roslaunch px4 mavros_posix_sitl.launch

去到QGroundControl.AppImage之前所在的下载目录里边双击文件打开QGroundControl图形界面就可以看到PX4仿真无人机成功连接到了仿真环境里。

在附件里面下载并解压SimulationCtrl.zip文件，打开SimulationCtrl文件夹并进到code文件夹里面将会看到PX4CtrlCommand.py文件以及main.py文件。右击code文件夹并选择在终端中打开，然后运行以下指令：

python3 ./main.py

回到Gazebo Classic的图形界面就可以看到PX4仿真无人机在MAVROS的操控下开始自检解锁，并用其走过的路径画出一个正四方形。可以打开QGroundControl图形界面就可以看到无人机飞出的四方形了。

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神秘泣男子