PX4的GAZEBO仿真模型擴展
在我們接觸飛控的過程中，可能會有許多有意思的想法，想去擴展一些其它設(shè)備，但是重新拼湊一架飛機和擴展可能會比較貴，而且在調(diào)試和驗證的過程中極有可能炸機。
PX4的設(shè)計者為我們提供了許多仿真方法來做我們自己喜歡的驗證，其中就包括非?；钴S的gazebo仿真平臺。其實縱觀PX4的代碼，我們會發(fā)現(xiàn)它的特別，PX4并不是傳統(tǒng)的STM32嵌入式程序，而是在NUTTX系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行應(yīng)用級程序的開發(fā)。NUTTX系統(tǒng)支持Posix編程標(biāo)準(zhǔn)接口，這種接口的兼容，使得PX4程序可以被編譯成在NUTTX操作系統(tǒng)下運行的程序，并打包成固件燒寫到Pixhawk當(dāng)中運行；也可以被編譯成在Linux操作系統(tǒng)下運行的程序，并在Linux系統(tǒng)下運行，進而提供進行仿真的條件。
針對ROS的仿真，我接下來的說法都是ROS1，參考官網(wǎng)的介紹有兩處，網(wǎng)址如下：https://docs.px4.io/master/en/simulation/ros_interface.html、
https://docs.px4.io/master/en/simulation/gazebo.html。
本文我們一起關(guān)注一下，px4的gazebo仿真啟動過程，以及在gazebo里進行無人機仿真時如何去嵌入其它的sdf模型，擴展仿真無人機的功能。
我們先看看啟動仿真的幾個launch文件
我所使用的PX4版本是1.11.3，環(huán)境搭建之類我就不說了，這里我們主要看一下，啟動仿真的過程中我們具體干了一些什么。
在源碼目錄下文件PX4-Autopilot/launch/posix_sitl.launch，這個文件一般在我們運行make px4_sitl_default gazebo后自動運行，我們看一下它的內(nèi)容。
我所使用的PX4版本是1.11.3，環(huán)境搭建之類我就不說了，這里我們主要看一下，啟動仿真的過程中我們具體干了一些什么。
在源碼目錄下文件PX4-Autopilot/launch/posix_sitl.launch，這個文件一般在我們運行make px4_sitl_default gazebo后自動運行，我們看一下它的內(nèi)容。
與我們平時啟動機器人仿真的內(nèi)容差不多，運行px4仿真程序、打開gazebo并加載world環(huán)境、加載仿真的model模型。
可以看到核心就是運行了px4這個可執(zhí)行文件，也就是我前面提到的被編譯成在Linux操作系統(tǒng)下運行的程序，而它的底層驅(qū)動明顯是針對對應(yīng)的gazebo插件寫的，具體可以去研究一下CMAKE里加入了哪些編譯。
這個文件里面主要的幾個點：
1.
<node name="sitl" pkg="px4" type="px4" output="screen" …… >
第一個參數(shù)是node名字，隨意；第二個是包名，對應(yīng)PX4-Autopilot/ ；第三個是可執(zhí)行文件名，對應(yīng)PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default/bin/px4 。
2.
<env name="PX4_SIM_MODEL" value="$(arg vehicle)" />
<env name="PX4_ESTIMATOR" value="$(arg est)" />
<env/>標(biāo)簽 是環(huán)境變量設(shè)置，這兩個環(huán)境變量是要傳遞到/PX4-Autopilot/ROMFS/px4fmu_common/init.d-posix/rcS，也就是飛控啟動腳本中的。
3.
<arg name="sdf" default="$(find mavlink_sitl_gazebo)/models/$(arg vehicle)/$(arg vehicle).sdf"/>
<env name="PX4_SIM_MODEL" value="$(arg vehicle)" />
這兩個應(yīng)該被分開設(shè)置，前者與加載的模型有關(guān)，后者是對環(huán)境變量是設(shè)置。
PX4_SIM_MODEL 可以是 iris、rover、boat等等，具體可以看https://docs.px4.io/master/en/simulation/gazebo_vehicles.html
此時我們可以通過QGC連接到仿真，也可以通過 rostopic list可以看到話題：
這些都是gazebo的仿真話題，我們并沒有看到關(guān)于飛控狀態(tài)和控制的話題或者服務(wù)，還需要啟動一個文件，roslaunch mavros px4.launch fcu_url:="udp://:14540@127.0.0.1:14557" ，這個時候可操作的東西就豐富起來了。
具體信息參照網(wǎng)址http://wiki.ros.org/mavros
這個時候我們可以訂閱到飛控的許多信息話題和充足的控制接口。
對與這兩個啟動文件我自己是比較喜歡各自開一個終端運行的，方便看打印信息。
整理了一下，我自己整理的啟動文件如下：
關(guān)于PX4 對gazebo仿真模型的擴展支持
通過mavros接口我們可以實現(xiàn)對飛機重要信息的讀取和控制。但是如果我需要一個攝像頭、或者其它的額外的傳感器呢？
首先想到的當(dāng)然是PX4所提供的“裝備庫”了。在源碼目錄PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo/models/下有：
這些model模型里面，iris、solo、rover、r1_rover、typhoon_h480、uuv_hippocampus等等類似這樣子的模型值得我們注意，前面說到運行了px4這個可執(zhí)行文件，在我認(rèn)為，這個可執(zhí)行文件就是“面向”這幾個模型編程的。當(dāng)然，這幾個模型不建議去動它，除非我們有信心去修改好PX4針對此模型的gazebo插件的代碼。
我們要做的是在這幾個模型上做擴展、改動，我這里以 iris為例子。在launch文件里將sdf模型的參數(shù)改為
<arg name="sdf" default="$(find mavlink_sitl_gazebo)/models/iris/iris.sdf"/>
如圖，飛機就來了，可以通過mavros去控制飛機、讀取飛機信息這個就不再談了。
現(xiàn)在我需要一個攝像頭，比如雙目攝像頭，如何去得到一個上面載著雙面攝像頭的飛機呢？這個其實PX4已經(jīng)有了，比較有借鑒意義，我們把launch文件里將sdf模型的參數(shù)改為
<arg name="sdf" default="$(find mavlink_sitl_gazebo)/models/iris_stereo_camera/iris_stereo_camera.sdf"/>
效果：
可以看到飛機上多了一個小模型，也多了一些雙目攝像頭的話題。
通過rviz也可以看到左右視圖。
我認(rèn)為這是一個很好的例子，我們來看一下源碼目錄下文件
/PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo/models/iris_stereo_camera/iris_stereo_camera.sdf
利用<include>標(biāo)簽載入模型、<joint>標(biāo)簽連接模型，當(dāng)然每個模型都有自己的物理參數(shù)需要設(shè)置好，具體需要去看<include>標(biāo)簽后的模型文件。
書寫自己的擴展應(yīng)用
PX4提供了很多擴展的模型，包括各種攝像頭、激光雷達(dá)，但是不一定滿足所有需求，有時候我們需要自己去折騰。
gazebo提供的一些模型文件在：http://models.gazebosim.org/，也可以在github上下載：https://github.com/osrf/gazebo_models
通過gazebo去編輯一個sdf模型的例子看網(wǎng)址：http://gazebosim.org/tutorials?tut=model_editor&cat=model_editor_top
通過標(biāo)簽文件去編寫一個sdf模型的例子看網(wǎng)址：http://gazebosim.org/tutorials?tut=build_robot&cat=build_robot
關(guān)于sdf文件一些重要標(biāo)簽說明與使用看網(wǎng)址：http://sdformat.org/spec
gazebo提供的一些插件：http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_gzplugins
如何書寫自己的插件：http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_plugins&cat=connect_ros
肖坤老師的XTDrone項目 ：https://github.com/robin-shaun/XTDrone
阿木實驗室的普羅米修斯項目：https://github.com/amov-lab/Prometheus
在開源飛控系統(tǒng)的推動下，無人機開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都在不斷完善，同時仿真條件也在不斷擴展，借助活躍的開發(fā)論壇社區(qū)，在PX4與ROS的基礎(chǔ)上，我們的探索工具會更加豐富，探索的想法也會更加的大膽精彩。每一個無人機愛好者都在提供參考經(jīng)驗和新的研究問題，在前人的積累上，我們一起讓有更多應(yīng)用場景的無人機從仿真走到實物、從實驗室進入到人們生活。
本文由西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室訪問學(xué)生劉金健原創(chuàng)
申請文章授權(quán)請聯(lián)系后臺相關(guān)運營人員
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