无人机仿真之搭建仿真平台-SITL、gazebo、ROS

无人机仿真之仿真平台搭建

前言

• 马上就要毕业了，看着一无是处的自己，老实说很沮丧，祈祷有个好去处吧???。
• 很早之前看到了宾夕法尼亚大学的多无人机协同作业视频，很赶兴趣，就想做一做无人机相关的实验，很多原因综合起来就没能开展（其实就是没钱买无人机?），现在有一些好东西，让我这个穷逼也能玩玩无人机相关的一些实验，就是SITL和gazebo以及ROS，内容很多，具体细节参考?。
• 主要的开源飞控有两个，APM和PX4，下面介绍两种飞控的仿真平台的安装步骤。安装出现错误很正常，多查查资料错误就解决了。

ardupilot-SITL—APM飞控

安装

• 我是在Ubuntu16.04上安装的，可以参考安步骤参考链接，也可以看下面的安装步骤，做了一下简单的翻译。
• 其他平台（Windows和OSX）的安装步骤在上面的网址中也可以找到
• 首先下载项目源码（项目是开源的，前面讲到过）

git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot
cd ardupilot
git submodule update --init --recursive

• 最后一步需要的时间较长，耐心等待即可
• 然后是安装需要的依赖

Tools/environment_install/install-prereqs-ubuntu.sh -y
. ~/.profile

• 到这里无人机的仿真就可以做到了，下一步安装3D环境的仿真软件gazebo
• 然后就可以利用这个平台向真实的飞控写入需要的固件，当然淘宝买飞控的时候可能店家就会帮助写好飞控。当自己需要修改飞控固件的时候可以参考这个链接
• 不过这里做仿真还用不到向飞控写入固件，等以后买得起无人机再说吧

启动仿真

简单仿真

• 启动仿真的方式为执行一个Python脚本，加入参数，具体有哪些参数可在脚本后加-h参数获取
• 例如做一个简单的四旋翼无人机的仿真

cd ~/ardupilot/ArduCopter
sim_vehicle.py --map --console

• 这时候就会看到启动了一个控制终端，一个地图界面，类似下图这样，如果报错找不到文件，是装依赖环境的时候出错了，一般执行脚本安装依赖不会出错，如果一步一步安装依赖可能会出现这种情况，这时候将这个文件的目录加入到环境变量里即可
  

结合gazebo仿真软件的3D环境仿真

环境安装

• 也可以结合一些其他的仿真平台实现更好的视觉效果，比如连接gazebo仿真器实现3D环境下的无人机仿真
• 当然，前提是安装好了gazebo仿真软件，gazebo的安装步骤在下文中也有，可以参考
• 然后是安装插件，项目开发文档上讲的插件安装方式在物理Ubuntu主机上可能不会报错，我使用Ubuntu虚拟机安装总会报错，最后关闭了虚拟机的硬件加速后安装成功，相关命令如下

echo “export SVGA_VGPU10=0” >> ~/.bashrc 关闭硬件加速
source ~/.bashrc 执行以下终端配置文件，其实最好重启终端

• 然后就可以正常安装gazebo插件了（PS 如果使用物理主机，可以忽略上面步骤直接进行安装，如果出错再执行上面的步骤）
• gazebo现在可用的有7、8、9三个版本，推荐使用7或8版本

apt-get install gazebo7 以7为例，安装8的话可以修改版本为8
sudo apt-get install libgazebo7-dev 这是必须安装的，根据自己安装的版本修改版本数字

• 然后是安装插件

git clone https://github.com/SwiftGust/ardupilot_gazebo
cd ardupilot_gazebo
mkdir build
cd build
cmake …
make -j4
sudo make install

• 安装完成后，将gazebo的相关文件加入环境变量中（后面会用到模型和环境文件）

sudo gedit ~/.bashrc

• 打开终端配置文件后，将下面内容添加到文件末尾

source /usr/share/gazebo/setup.sh
export GAZEBO_MODEL_PATH=~/ardupilot_gazebo/models:${GAZEBO_MODEL_PATH}
export GAZEBO_MODEL_PATH=~/ardupilot_gazebo/models_gazebo:${GAZEBO_MODEL_PATH}
export GAZEBO_RESOURCE_PATH=~/ardupilot_gazebo/worlds:${GAZEBO_RESOURCE_PATH}

• 到这里gazebo和插件就安装完成了，下面给出几个示例

示例

1.车辆仿真

On 1st Terminal(Launch Ardupilot SITL)
sim_vehicle.py -v APMrover2 -f gazebo-rover -m --mav10 --map --console -I1
On 2nd Termianal(Launch Gazebo with Rover, Retrieved from Husky Model)
gazebo --verbose rover_ardupilot.world

2. 四旋翼无人机仿真

On 1st Terminal(Launch Ardupilot SITL)
sim_vehicle.py -v ArduCopter -f gazebo-iris -m --mav10 --map --console -I0
On 2nd Terminal(Launch Gazebo with demo 3DR Iris model)
gazebo --verbose iris_ardupilot.world

3. 飞机仿真

On 1st Terminal(Launch Ardupilot SITL)
sim_vehicle.py -v ArduPlane -f gazebo-zephyr -m --mav10 --map --console -I0
On 2nd Terminal(Launch Gazebo with demo Zephyr flying wing model)
gazebo --verbose zephyr_ardupilot_demo.world

• 这是也可以使用地面站软件连接仿真平台，具体地面站软件很多，大家自行学习使用

多无人机仿真

• 多无人机仿真需要启动三次仿真脚本sim_vehicle.py，修改部分参数，如下：

-I 0 has FDM in/out ports of 9002/9003 / GCS connection UDP:14550

-I 1 has FDM in/out ports of 9012/9013 / GCS connection UDP:14560

-I 2 has FDM in/out ports of 9022/9023 / GCS connection UDP:14570

• 并且需要修改gazebo加载的word(word简单来说就是一个场景，具体是什么含义可以参考gazebo的博文)
• 还有一个提示是这样说的，因为这部分我没有运行成功（其实当在gazebo中起飞无人机几秒后就会出现GPS故障而坠落，出错原因还未找到，博文最后介绍了禁用GPS的方法，没成功）

Additional Note for GCS Connection
You will also need to edit ArduPilot Parameter SYSID_THISMAV to be unique from one another for the GCS connection

• 这里有一个大佬做多无人机仿真实验的视频，可以看一下视频（需要科学上网-FQ）

终端操作无人机的部分指令

• 在终端窗口可以输入指令控制无人机的飞行，如下：

mode guided #启动引导模式，这个模式下可以输入起飞指令
arm throttle #无人机自检，只有通过自检后才可以执行起飞指令
takeoff 40 #起飞到40米处

---

mode circle # 启动转圈模式，在无人机飞到空中后才能切换到此模式
param set circle_radius 2000 #设置转圈半径为2000厘米

---

wp load …\Tools\autotest\CMAC-circuit.txt #载入任务，此目录下还有其他任务文件，任务文件要和地图匹配（基于经纬度）
mode auto #模式切换到自动模式
wp set 2 #去掉第二个任务点（任务中包含了多个有序位置点）
wp loop #设置任务点循环，即执行完最后一个任务点后重新开始这个任务

---

mode #查看有哪些模式
param show fence* # 显示以fence开头的参数有哪些
param set fence_enable 1 # 设置fence_enable参数的值为1

---

mode land #设置到land模式，即无人机落地，落到当前位置的地面
mode rtl # 设置到rtl模式，即无人机返回到起飞的位置

• 当无人机处于guided模式下，在地图上点击右键可以出来菜单，在菜单里可以进行一些操作（设置飞到位置，高度，也可以绘制任务路线）
  

安装PX4框架–PX4飞控

• 首先是安装依赖，可以参考 链接，也可以看下面的步骤
• 第一步，使用户成为“拨出”组的成员：

sudo usermod -a -G dialout $USER

• 注销并再次登录（仅在新登录后进行更改）
• 然后按下面的步骤进行

1. 下载ubuntu_sim.sh。
   source ubuntu_sim.sh 在终端中执行脚本

• 这个脚本会安装带有gazebo的PX4环境
• 最好可以翻墙安装，一些文件不翻墙下载会非常非常慢
• 安装完之后下载PX4项目源码

cd ~/src
git clone https://github.com/PX4/Firmware.git
cd Firmware
git submodule update --init --recursive 加载更新子模块，必需的操作

仿真平台搭建完成后，可以试着跑一下

单个无人机模拟

• 参考jMAVSim模拟
• 参考gazebo模拟

使用JMAVSim进行多车辆仿真

• 参考链接
• 使用jMAVSim进行多车辆仿真，它易于设置，可用于测试您的车辆是否可以起飞，飞行，降落并适应各种故障条件（例如GPS故障）。个人理解这只是用来测试地面站平台是否支持多无人机。
• 这是模拟运行PX4的多辆车辆的最简单方法。它适用于在QGroundControl（或Dronecode SDK等）中测试多车辆支持。 带有Gazebo的多车模拟应该用于许多车辆的群体模拟，或用于测试仅由Gazebo支持的计算机视觉等功能。

带凉亭的多车模拟-需要安装ROS

• 参考链接
• mode文件的路径为（提示自己，可忽略）

/src/Firmware/Tools/sitl_gazebo/models

给无人机添加摄像头-使用iris_fpv_cam模型-参考

• 修改模型文件
• 因为默认构建模型用的是模型文件-.xacro结尾的文件
• 首先选择使用sdf文件进行模型构建

multi_uav_mavros_sitl.launch > multi_uav_mavros_sitl_sdf.launch

• 然后将launch文件中的vehicle参数修改为想要使用的无人机模型，无人机的所有模型的sdf文件在下面目录中

src/Firmware/Tools/sitl_gazebo/models

• 运行roslaunch，通常会报错—px4无法找到iris_fpv_cam模型
• 排错可参考这个链接，关键看下面的图片
  

安装ROS

• 参考 链接
• 这里安装ros最好安装全版本的，如果之前就安装了gazebo，先卸载掉，安装ROS自带的gazebo，网上有人说ROS自带的gazebo有错误，暂时使用正常，没发现有什么问题，读者发现了欢迎评论区交流

安装gazebo

• Gazebo是一款3D动态模拟器，能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人群。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。
• 如果已经安装了完整版的ROS平台，就已经安装gazebo了
• 如果没有也可以直接使用命令安装

apt-get install gazebo8
apt-get install gazebo8-dev

• 进行安装
• 上面的安装完成后，将gazebo的相关文件加入环境变量中（后面会用到模型和环境文件）

sudo gedit ~/.bashrc

• 打开终端配置文件后，将下面内容添加到文件末尾

source /usr/share/gazebo/setup.sh
export GAZEBO_MODEL_PATH=~/ardupilot_gazebo/models:${GAZEBO_MODEL_PATH}
export GAZEBO_MODEL_PATH=~/ardupilot_gazebo/models_gazebo:${GAZEBO_MODEL_PATH}
export GAZEBO_RESOURCE_PATH=~/ardupilot_gazebo/worlds:${GAZEBO_RESOURCE_PATH}

修改参数-出现GPS故障时可参考

• APM下GPS出现故障时，可参考以下操作
• 进行以下设置，更改飞控使用的卡曼滤波器：

使用EKF3（最新版本的卡曼滤波）
AHRS_EKF_TYPE = 3
停止EKF2
EK2_ENABLE = 0
使能EKF3
EK3_ENABLE = 1
*（地面站操作） 完成以上设置后，点击”Write Params“写入参数，写入成功后重启飞控（不然EKF3的相关参数不会出现）。

• 重启后，再进行以下设置

禁用GPS
GPS_TYPE = 0
#使用光流传感器作为定位源
EK3_GPS_TYPE = 3
使用超声波传感器作为高度源
EK3_ALT_SOURCE = 1

• 在APM平台下禁用GPS在引导模式下无法通过自检。