Ubuntu搭建PX4无人机仿真环境（5）—— 仿真环境搭建（以Ubuntu 22.04, ROS2 Humble 为例）

一、背景与动机

PX4是一款开源的无人机飞控软件，广泛应用于学术研究、无人机开发和测试中。为了让开发者能够在没有实际硬件的情况下进行开发和测试，PX4提供了强大的仿真功能。通过仿真，开发者可以在安全、经济的环境下进行算法开发、测试和调试，而不必担心硬件损坏或者飞行事故。

本教程将介绍如何在Ubuntu 22.04环境中搭建PX4无人机仿真环境，重点是ROS2 Humble与PX4仿真环境的搭建和配置。我们将使用Gazebo作为仿真平台，通过仿真飞行测试控制算法。

二、准备工作

1. 系统要求

• 操作系统：Ubuntu 22.04
• ROS版本：ROS2 Humble
• 仿真软件：Gazebo（仿真环境）
• PX4飞控：PX4 Autopilot

确保你已经具备以下条件：

• 已安装Ubuntu 22.04并配置好网络环境。
• 有一定的Linux命令行使用经验。
• 安装了支持图形界面的桌面环境。

2. 系统更新与依赖安装

首先，更新系统并安装一些必备的工具和依赖包：

sudo apt update
sudo apt upgrade -y
sudo apt install git curl build-essential cmake pkg-config \
     libeigen3-dev gfortran python3-dev python3-pip \
     python3-setuptools python3-colcon-common-extensions \
     python3-rosdep python3-rosinstall python3-rosinstall-generator \
     python3-wstool python3-rosdep python3-pytest

三、ROS2 Humble 安装

ROS2 Humble是ROS2的最新版本，包含了许多新特性和稳定性改进。以下是ROS2 Humble的安装步骤。

1. 设置ROS2源

首先，添加ROS2的APT源：

sudo apt update && sudo apt install curl gnupg lsb-release
curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros2/ubuntu/ros2.repo | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2-latest.list

然后，设置ROS2的密钥：

curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros2/ubuntu/ros2.asc | sudo apt-key add -

2. 安装ROS2 Humble

接下来，安装ROS2 Humble：

sudo apt update
sudo apt install ros-humble-desktop

此命令将安装ROS2的桌面版，包括基本的库、工具和常见的开发包。

3. 设置ROS2环境变量

安装完成后，我们需要配置ROS2环境变量，使其在每次启动时自动加载：

echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

4. 安装依赖工具

一些开发工具（如colcon和rosdep）需要额外安装：

sudo apt install python3-colcon-common-extensions python3-rosdep

5. 初始化rosdep

ROS2依赖rosdep工具来管理依赖项。初始化rosdep：

sudo rosdep init
rosdep update

四、安装PX4依赖和仿真工具

PX4依赖许多工具和库来支持仿真，包括Gazebo和MAVSDK。我们将一步一步安装这些依赖。

1. 安装Gazebo

Gazebo是一个用于机器人仿真的开源平台。为了进行PX4仿真，需要安装Gazebo及其相关插件。

首先，安装Gazebo 11版本（适用于ROS2 Humble）：

sudo apt install gazebo11 libgazebo11-dev

安装完毕后，验证Gazebo是否成功安装：

gazebo --version

如果显示Gazebo的版本号，说明安装成功。

2. 安装MAVLink和MAVSDK

PX4使用MAVLink协议与外部系统进行通信，包括与ROS2节点的通信。

安装MAVLink相关的工具：

sudo apt install python3-mavlink

安装MAVSDK：

pip install mavsdk

3. 安装PX4 Autopilot

接下来，克隆PX4飞控软件的源代码，并编译安装。

cd ~
git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --recursive
cd PX4-Autopilot
make px4_sitl gazebo

这将编译PX4的仿真环境，并创建一个能够在Gazebo中运行的PX4飞控。

五、启动仿真环境

1. 启动PX4仿真

一切准备好之后，可以启动PX4的仿真环境。PX4使用Gazebo作为仿真平台，启动PX4仿真环境的命令如下：

cd ~/PX4-Autopilot
make px4_sitl gazebo

这将启动PX4飞控，并在Gazebo中启动一个仿真环境。在此过程中，Gazebo会加载仿真场景并模拟飞行器的运动。

2. 启动ROS2桥接

为了让ROS2和PX4能够进行交互，我们需要启动一个ROS2桥接节点。这将使PX4能够将传感器数据、状态信息等发送到ROS2节点，同时也能接收ROS2发送的控制命令。

在另一个终端中，运行以下命令启动ROS2的PX4接口节点：

source /opt/ros/humble/setup.bash
source ~/PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default/bin/ros2/setup.bash
ros2 launch px4 px4_ros2_sitl.launch.py

3. 查看Gazebo仿真环境

此时，你可以打开一个新的终端，使用以下命令启动Gazebo仿真环境，查看飞行器的模拟情况：

gazebo

六、使用RViz进行可视化

为了更好地查看仿真数据，可以使用ROS2的RViz工具进行可视化。RViz允许你查看无人机的传感器数据、轨迹等信息。

1. 启动RViz：

ros2 run rviz2 rviz2

2. 在RViz中，你可以添加不同的显示项（如地图、传感器数据、飞行器姿态等），以直观地观察无人机的状态。

七、控制PX4无人机

通过ROS2的控制命令，你可以实现对PX4无人机的控制。例如，发布控制命令来起飞、飞行、降落等。

一个简单的控制命令可以通过发布geometry_msgs/Twist类型的消息来控制无人机的线速度和角速度。

ros2 topic pub /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0}}"

这条命令将控制无人机沿着X轴以1 m/s的速度前进。

八、调试与验证

• 使用ros2 topic echo命令查看实时的传感器数据或状态信息：

  ros2 topic echo /mavros/state
  

• 在Gazebo中监控飞行器的姿态、速度等，并确保数据和飞行行为符合预期。
• 通过查看PX4的日志文件，确保没有错误或异常输出。

九、总结

本教程介绍了如何在Ubuntu 22.04环境下搭建基于ROS2 Humble的PX4无人机仿真环境。通过这一环境，开发者可以在没有实际硬件的情况下进行无人机飞行控制算法的开发与测试。搭建过程涉及到ROS2、Gazebo、MAVLink和PX4等多个工具的安装和配置，经过这些步骤后，你就可以在仿真环境中测试你的飞控算法和应用。

该环境适合进行无人机硬件在环（HIL）测试、软件在环（SITL）仿真以及无人机开发的相关研究。