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PX4+激光雷达在gazebo中仿真实现（古月居）_px4中无人机在gazebo运行时可以使用move base包吗

作者：在线问答5 | 2024-07-18 10:07:34

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px4中无人机在gazebo运行时可以使用move base包吗

 

摘自：https://www.guyuehome.com/8983

基于px4的无人机自主导航

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2020年6月30日 12时12分

Judez

Judez

基于px4的无人机自主导航

在ros的学习过程中我们经常可以看到自主导航的小车，那么无人机是否也能像小车一样建图导航呢？本文即主要介绍如何在px4平台基础上进行无人机自主导航仿真实验。

ROS导航框架介绍

无人机导航运动控制系统大致分为五个层次的架构，从高到低依次为：给定目标位置->建图定位->路径规划->底层控制->无人机转子速度。总结起来如下图所示：

 

基于px4的无人机自主导航插图

将小车导航中用到的激光雷达移植到无人机上，通过激光雷达的扫描信息进行建图导航，无人机大致的模型如下图所示，其中蓝色的光束即代表无人机激光雷达扫描发射的光束。

ROS及PX4环境搭建

本文实现的无人机自主导航是基于px4无人机仿真环境以及ROS-melodic下完成的
_ROS及部分工具安装_
1 . 加入ros的安装源

 
  1. sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

2 . 加入秘钥

 
  1. sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

3 . 更新

 
  1. sudo apt-get update

4 . 安装ros

 
  1. sudo apt-get install ros-melodic-desktop

5 . Source ROS

 
  1. echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
  2. source ~/.bashrc

6 . 安装Gazebo

 
  1. sudo apt install ros-melodic-gazebo9*

7 . 初始化rosdep

 
  1. rosdep init
  2. rosdep update

8 . 安装catkin工具

 
  1. sudo apt-get install ros-melodic-catkin python-catkin-tools

9 . 安装mavros

 
  1. sudo apt install ros-melodic-mavros ros-melodic-mavros-extras

10 . 安装geographiclib dataset

 
  1. #下载脚本
  2. wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
  3. #为脚本添加权限
  4. chmod +x install_geographiclib_datasets.sh
  5. #执行脚本
  6. sudo ./install_geographiclib_datasets.sh

px4仿真工具安装说明

1 . 利用脚本安装必要的工具链

 
  1. #下载脚本
  2. wget https://raw.githubusercontent.com/PX4/Firmware/master/Tools/setup/ubuntu.sh
  3. wget https://raw.githubusercontent.com/PX4/Firmware/master/Tools/setup/requirements.txt
  4. #这俩个文件下载不下来可以试试“xx上网”
  5. #执行脚本：
  6. source ubuntu.sh
  1. 创建工作空间 
     
    1. mkdir -p ~/catkin_ws/src
    2. cd ~/catkin_ws/src/
    3. catkin_init_workspace
  2. 下载编译px4 
     
    1. #下载代码
    2. cd ~/catkin_ws/
    3. git clone https://github.com/PX4/Firmware
    4. #然后更新submodule切换固件并编译
    5. cd Firmware
    6. git submodule update --init --recursive
    7. git checkout v1.11.0-beta1
    8. make distclean
    9. #在具体编译前还需要安装相关的工具
    10. sudo apt-get install python-jinja2
    11. sudo pip install numpy toml
    12. #开始编译
    13. make px4_sitl_default gazebo
  3. 添加相应的环境变量信息 
     
    1. cd ~/catkin_ws/
    2. catkin build
    3. #添加工作空间source
    4. echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
    5. #添加gazebo模型路径
    6. echo "export GAZEBO_MODEL_PATH=:~/catkin_ws/models" >> ~/.bashrc
    7. #添加px4路径
    8. echo "source ~/catkin_ws/Firmware/Tools/setup_gazebo.bash ~/catkin_ws/Firmware ~/catkin_ws/Firmware/build/px4_sitl_default" >> ~/.bashrc
    9. echo "export ROS_PACKAGE_PATH=\$ROS_PACKAGE_PATH:~/catkin_ws/Firmware" >> ~/.bashrc
    10. echo "export ROS_PACKAGE_PATH=\$ROS_PACKAGE_PATH:~/catkin_ws/Firmware/Tools/sitl_gazebo" >> ~/.bashrc
    11. source ~/.bashrc

    无人机导航及定位功能包配置

    1 . 安装必要的导航包

     
    1. sudo apt-get install ros-melodic-navigation
    2. sudo apt-get install ros-melodic-gmapping
    3. sudo apt-get install ros-melodic-ar-track-alvar*
    4. sudo apt-get install ros-melodic-moveit*

    2 . 自主导航实现
    编写launch文件如下
    _ros_2Dnav_demo_px4.launch_

     
    1. <launch>
    2. <arg name="world_path" default="$(find simulation)/worlds/cloister.world" />
    3. <!-- 启动带有激光雷达的无人机模型-->
    4. <include file="$(find simulation)/launch/px4/2Dlidar_px4.launch">
    5. <arg name="world" value="$(arg world_path)" />
    6. </include>
    7. <!—参数说明-->
    8. <param name="/mavros/local_position/tf/send" type="bool" value="true" />
    9. <param name="/mavros/local_position/frame_id" type="str" value="base_link" />
    10. <param name="/mavros/local_position/tf/frame_id" type="str" value="odom" />
    11. <!-- 启动建图-->
    12. <include file="$(find ros_slam)/launch/gmapping.launch">
    13. </include>
    14. <!-- 启动导航-->
    15. <include file="$(find ros_navigation)/launch/nav_px4.launch">
    16. </include>
    17. <!-- 启用导航输出转mavros节点-->
    18. <include file="$(find px4_control)/launch/ros_2DNav.launch">
    19. <arg name="desire_posz_" value="2" />
    20. </include>
    21. <!—启用键盘控制-->
    22. <node pkg="simulation" type="keyboard_control_px4.py" name="keyboard_control_px4" output="screen" launch-prefix="gnome-terminal --tab -e">
    23. </node>
    24. </launch>

    该launch的主要作用是启用多个launch文件，其中包括启动gazebo以及无人机模型、建图、路径规划、键盘控制、将路径规划输出转换成无人机飞控的节点，其中，我们比较无人机的自主导航与小车的自主导航可以知道，主要差别就在于将路径规划的输出转换成无人机飞控的输出。
    2Dlidar_px4.launch

     
    1. <launch>
    2. <node pkg="tf" name="tf_2Dlidar" type="static_transform_publisher" args="0 0 0 3.1415926 0 0 base_link 2Dlidar_link 100"/>
    3. <!-- vehicle pose -->
    4. <arg name="x" default="0"/>
    5. <arg name="y" default="0"/>
    6. <arg name="z" default="0"/>
    7. <arg name="R" default="0"/>
    8. <arg name="P" default="0"/>
    9. <arg name="Y" default="0"/>
    10. <arg name="world" default="$(find simulation)/worlds/empty.world" />
    11. <arg name="sdf" default="$(find simulation)/models/iris_2Dlidar/iris_2Dlidar.sdf" />
    12. <arg name="verbose" default="false"/>
    13. <arg name="debug" default="false"/>
    14.  
    15. <include file="$(find px4)/launch/mavros_posix_sitl.launch" >
    16. <arg name="x" value="$(arg x)"/>
    17. <arg name="y" value="$(arg y)"/>
    18. <arg name="z" value="$(arg z)"/>
    19. <arg name="R" value="$(arg R)"/>
    20. <arg name="P" value="$(arg P)"/>
    21. <arg name="Y" value="$(arg Y)"/>
    22. <arg name="sdf" value="$(arg sdf)" />
    23. <arg name="verbose" value="$(arg verbose)" />
    24. <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
    25. <arg name="world" value="$(arg world)" />
    26. </include>
    27. </launch>

    该launch文件主要是启用了px4自带的无人机仿真启动文件，负责启动gazebo和无人机模型，其中我们将无人机模型换成加装了激光雷达的模型。
    gmapping.launch

     
    1. <launch>
    2. <arg name="scan_topic" default="/lidar2Dscan" />
    3. <arg name="base_frame" default="base_link"/>
    4. <arg name="odom_frame" default="odom"/>
    5.  
    6. <node pkg="gmapping" type="slam_gmapping" name="slam_gmapping" output="screen">
    7. <param name="base_frame" value="$(arg base_frame)"/> <!--底盘坐标系-->
    8. <param name="odom_frame" value="$(arg odom_frame)"/> <!--里程计坐标系-->
    9. <param name="map_update_interval" value="1.0"/> <!--更新时间(s)，每多久更新一次地图，不是频率-->
    10. <param name="maxUrange" value="7"/> <!--激光雷达最大可用距离，在此之外的数据截断不用-->
    11. <param name="maxRange" value="10"/> <!--激光雷达最大距离-->
    12. <param name="/use_sim_time" value="true" />
    13. <param name="sigma" value="0.05"/>
    14. <param name="kernelSize" value="1"/>
    15. <param name="lstep" value="0.05"/>
    16. <param name="astep" value="0.05"/>
    17. <param name="iterations" value="5"/>
    18. <param name="lsigma" value="0.075"/>
    19. <param name="ogain" value="3.0"/>
    20. <param name="lskip" value="0"/>
    21. <param name="minimumScore" value="200"/>
    22. <param name="srr" value="0.01"/>
    23. <param name="srt" value="0.02"/>
    24. <param name="str" value="0.01"/>
    25. <param name="stt" value="0.02"/>
    26. <param name="linearUpdate" value="0.5"/>
    27. <param name="angularUpdate" value="0.436"/>
    28. <param name="temporalUpdate" value="-1.0"/>
    29. <param name="resampleThreshold" value="0.5"/>
    30. <param name="particles" value="80"/>
    31. <param name="xmin" value="-25.0"/>
    32. <param name="ymin" value="-25.0"/>
    33. <param name="xmax" value="25.0"/>
    34. <param name="ymax" value="25.0"/>
    35. <param name="delta" value="0.05"/>
    36. <param name="llsamplerange" value="0.01"/>
    37. <param name="llsamplestep" value="0.01"/>
    38. <param name="lasamplerange" value="0.005"/>
    39. <param name="lasamplestep" value="0.005"/>
    40. <remap from="scan" to="$(arg scan_topic)"/>
    41. </node>
    42. </launch>

    该launch文件主要是启用建图程序，主要是用了gmapping的建图功能包，所以在运行前我们需要安装好gmapping导航包，确保程序可以正常运行。
    _nav_px4.launch_

     
    1. <launch>
    2. <arg name="open_rviz" default="true"/>
    3. <arg name="move_forward_only" default="false"/>
    4. <arg name="cmd_vel_topic" default="/px4_vel" />
    5. <arg name="odom_topic" default="mavros/local_position/odom" /> <!-- frame_id: "odom" child_frame_id: "base_link" -->
    6. <!-- move_base -->
    7. <node pkg="move_base" type="move_base" respawn="false" name="move_base" output="screen">
    8. <param name="base_local_planner" value="dwa_local_planner/DWAPlannerROS" />
    9. <rosparam file="$(find ros_navigation)/param/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="global_costmap" />
    10. <rosparam file="$(find ros_navigation)/param/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="local_costmap" />
    11. <rosparam file="$(find ros_navigation)/param/local_costmap_params.yaml" command="load" />
    12. <rosparam file="$(find ros_navigation)/param/global_costmap_params.yaml" command="load" />
    13. <rosparam file="$(find ros_navigation)/param/move_base_params.yaml" command="load" />
    14. <rosparam file="$(find ros_navigation)/param/dwa_local_planner_params.yaml" command="load" />
    15. <remap from="cmd_vel" to="$(arg cmd_vel_topic)"/>
    16. <remap from="odom" to="$(arg odom_topic)"/>
    17. <param name="DWAPlannerROS/min_vel_x" value="0.0" if="$(arg move_forward_only)" />
    18. </node>
    19. <!-- rviz -->
    20. <group if="$(arg open_rviz)">
    21. <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" required="true"
    22. args="-d $(find ros_navigation)/rviz/ros_navigation.rviz"/>
    23. </group>
    24. </launch>

    该launch文件启用了路径规划的节点，其中我们使用了dwa局部路径规划的方法。
    _ros_2DNav.launch_

 
  1. <launch>
  2. <!--
  3. desire_posz_：期望高度-->
  4. <arg name="desire_posz_" default="1" />
  5. <node pkg="px4_control" type="ros_nav_quadrotor_node" name="ros_nav_quadrotor_node" output="screen">
  6. <param name="desire_posz_" value = "$(arg desire_posz_)"/>
  7. </node>
  8. </launch>

这个launch文件主要负责启动将路径规划输出转换成无人机的飞控的节点， 该节点由c++编写实现，如下所示，主要实现ros navigation中move_base速度控制输出的cmd_vel控制px4 quadrotor
ros_nav_quadrotor.cpp

 
  1. #include "ros_nav_quadrotor.h"
  2. using namespace std;
  3. using namespace Eigen;
  4. PX4RosNav::PX4RosNav(const ros::NodeHandle& nh, const ros::NodeHandle& nh_private):
  5. nh_(nh),
  6. nh_private_(nh_private) {
  7. initialize();
  8. cmdloop_timer_ = nh_.createTimer(ros::Duration(0.1), &PX4RosNav::CmdLoopCallback, this); // Define timer for constant loop rate
  9.  
  10. cmd_vel_sub_ = nh_private_.subscribe("/px4_vel", 1, &PX4RosNav::CmdVelCallback, this,ros::TransportHints().tcpNoDelay());
  11.  
  12. }
  13.  
  14. PX4RosNav::~PX4RosNav() {
  15. //Destructor
  16. }
  17. void PX4RosNav::CmdLoopCallback(const ros::TimerEvent& event)
  18. {
  19. PublishVelControl();
  20. }
  21.  
  22. void PX4RosNav::PublishVelControl(){
  23.  
  24. OffboardControl_.send_velxy_posz_setpoint(px4_vel_,desire_posz_);
  25. // cout << "px4_vel[0]"<<px4_vel_[0] <<endl;
  26. // cout << "px4_vel[1]"<<px4_vel_[1] <<endl;
  27. }
  28.  
  29. void PX4RosNav::CmdVelCallback(const geometry_msgs::Twist &msg){
  30. px4_vel_[0] = msg.linear.x;
  31. px4_vel_[1] = msg.linear.y;
  32.  
  33. }
  34. void PX4RosNav::initialize()
  35. {
  36. px4_vel_[0] = 0;
  37. px4_vel_[1] = 0;
  38. //读取offboard模式下飞机的期望高度
  39. nh_.param<float>("desire_posz_", desire_posz_, 1.0);
  40. }
  41. int main(int argc, char** argv) {
  42. ros::init(argc,argv,"ros_nav_quadrotor");
  43. ros::NodeHandle nh("");
  44. ros::NodeHandle nh_private("~");
  45. PX4RosNav PX4RosNav(nh, nh_private);
  46. ros::spin();
  47. return 0;
  48. }

Gazebo无人机导航仿真实现

编译运行

 
  1. roslaunch simulation ros_2Dnav_demo_px4.launch

最终的效果如下动图所示，实现了无人机的路径规划以及规避障碍

可参考最终节点图如下：

 

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