今天，给大家介绍下PX4开源飞控项目中一个强大的功能-Gazebo仿真。
Gazebo仿真是PX4提供众多仿真工具中的一个。它在PX4代码中（Firmware/Tools/ sitl_gazebo）也是一个单独出来的仓库。
PX4中都有哪些仿真工具？他们都有什么区别？
官方介绍请移步：PX4-开发手册-仿真
仿真首先分为软件在环仿真（SITL）和硬件在环仿真（HITL）。目前来看，软件在环仿真更简单实现及方便。我就读的课题组就是专门做导弹的半实物仿真的，个人认为硬件在环仿真需要加上转台才能真正意义发挥出作用，不然只是在Pixhawk板子上跑仿真环境，毫无指导意义。
软件在环仿真一共是有jMAVSim、Gazebo、AirSim这三种。jMAVSim是一个轻量级的仿真器，目前只支持四旋翼仿真。AirSim我不太清楚，没有使用过，这里就不评价了。Gazebo是我们今天的主角，支持旋翼、固定翼、倾转、小车等，是所有仿真器里支持平台最多的，也能支持多个无人机的仿真，在各个仿真器比较的表格里，PX4官方是这么说Gazebo仿真的：This simulator is highly recommended.
一般而言，如果我是修改了PX4固件内的代码，比如修改了姿态控制器，我会用jMAVSim调试，同时打开地面站，利用定点及自稳模式进行飞行测试，还能下载log看看记录的量对不对。jMAVSim不吃电脑配置，运行比较流畅，适合快速验证PX4内部代码逻辑及检查修改固件后的BUG。
如果我需要用到px4_command及mavros包来进行offboard模式的测试，我会使用Gazebo仿真。比如我在机载电脑中修改了一些控制逻辑，打开Gazebo仿真，同时运行mavros及相应节点，将仿真的无人机切换至offboard模式，在Gazebo中测试我修改的代码是否正确，十分好用！
这只是我个人的使用习惯，正常来讲，我后面说的那个功能用jMAVSim也能做，但你既然都跑ROS了，肯定用一个和ROS相关的仿真器更加好用一点。jMAVSim比不过Gazebo的一点是它无法进行固定翼、小车的仿真（但我也没试过），以及无法进行视觉类的仿真，无法修改飞行环境等等。具体Gazebo还能做什么，可以自行百度，或参阅Gazebo官网，毕竟光学Gazebo就够一个人学一段时间的了（这点就和ROS一样，但放到我们场景中来说，还是你需要什么就学什么，不然你永远都学不完）。
总而言之，Gazebo仿真功能强大，值得推荐！
PX4的仿真是如何进行的？
上一张官方图，Flight stack代表飞控即PX4，Simulator代表仿真器（如Gazebo）。所有仿真器与PX4的通讯都是通过MAVLink消息来进行的，SITL使用simulator模块中的simulator_mavlink.cpp来处理这些消息，而HITL是使用mavlink模块中的mavlink_receiver.cpp来处理这些消息。梳理一下这里的消息流向：
- PX4到仿真器。PX4给仿真器只会发送一个HIL_ACTUATOR_CONTROLS的MAVLink消息，熟悉PX4的应该知道这个对应的uORB消息是actuator_outputs.msg，也就是姿态控制器最后的输出控制量。这里也就意味着，混控是在仿真器中进行的，仿真器中也包含电机的模型。
- 仿真器到PX4。仿真器的作用就是模拟真实飞行，即模拟计算出真实飞行时的传感器状态，包括GPS，IMU等，将这些信息发送给飞控后，再由飞控中的估计模块计算出飞机状态量。
- 外部到PX4。这里的外部就比如地面站QGC（可以外接遥控器），Mavros，Dronecode SDK等，这里也就可以模拟我们平时控制飞机的方式。
下面这张图更清楚的表示出了PX4与各个部分之间的关系。仿真器包含了传感器和执行机构的模型，负责产生传感器的原始数据和执行最后的底层控制指令；Offboard API及QGC负责发送传输上层指令（位置期望点、速度期望值等）并且监控飞机状态；PX4固件本身则运行控制及估计模块（即飞控核心算法）。
端口号
PX4是使用UDP来进行这些消息通讯的。单个飞机仿真时，默认的UDP设置如下：
- UDP端口 14540 用于offboard模式的通讯。is used for communication with offboard APIs. Offboard APIs are expected to listen for connections on this port.
- UDP端口 14550 用地面站的通讯。
- TCP端口 4560 用于与仿真器的通讯。 PX4 listens to this port, and simulators are expected to initiate the communication by broadcasting data to this port.
如果不涉及多个飞机的仿真，端口号默认都是设置好的，不需要修改及配置。如果是多个飞机的仿真，则需要配置每个飞机的端口号，不能重复，后续会详细介绍配置。
上述介绍适用所有的仿真器。
Gazebo仿真
环境搭建我这里基本就是照搬+翻译PX4的开发手册了，如有疑惑，请留言或移步手册。还是和以前的看法一致，千万不要百度，里面的解答大部分都是带着你走歪路。
首先，你要成功搭建PX4固件开发环境，你要能成功编译PX4代码。（这一步都没成功，那就先搞好这一步）如果你在搭建PX4环境时，没有顺带装一下Gazebo，可能需要单独安装（打开终端输入gazebo可以检测你的电脑是否安装gazebo）。
下面的内容我将分成非ROS下的Gazebo仿真和ROS下的Gazebo仿真。个人是推荐后者的，如果你不使用ROS，也没必要上Gazebo仿真了。
可以发现，在PX4固件中有一个文件夹Firmware/Tools这里面就是包含了jMAVSim、Gazebo仿真等一系列代码。而Gazebo仿真对应的文件夹是sitl_gazebo，这其实是一个子库，即sitl_gazebo这个git仓库。
大致看看这个文件夹里都有些什么内容。
- src文件夹。这里是核心代码，即plugin（插件）代码。比如gps、imu、电机的插件，简单说如何模拟产生gps信号，就是这里的代码负责的。Gazebo自身也会提供一些默认插件，或者第三方也会提供插件，比如你要新增一个传感器，就可以找到相应的插件。
- models文件夹。存放各种Gazebo模型文件。
- worlds文件夹。存放Gazebo的世界环境文件。
个人认为涉及到Gazebo仿真二次开发就是如上三个文件夹（如果你只是使用Gazebo仿真工具，这里你什么都不需要修改，因为已经完全搭建好了），分别对应修改模型、修改模型参数、修改世界。
非ROS下的Gazebo仿真
按照PX4手册中的Gazebo仿真教程，进行四旋翼仿真应该是
cd ~/src/Firmware
make px4_sitl gazebo
我的固件用这个指令失败了，但其他小伙伴执行这一步却正常运行了。原因暂不清楚，这里待补充。
ROS下的Gazebo仿真
除了上述的教程，在PX4开发手册中，还有一个属于Gazebo仿真的教程：ROS with Gazebo Simulation。这就是指导大家如何在ROS环境下，联合Mavros功能包进行仿真调试。我的固件按照这个教程一步一步走下来，没有任何问题。（PX4项目太大，各个部件分散，也不是商业项目，坑还是多~）
对于ROS、Mavros、Offboard模式还不清楚的小伙伴，先去补补相关概念，这里就不多做介绍了。
注意：第一步和第二步只需要做一次，设置成功后，每次直接执行第三步。但如果修改了PX4固件，那你需要重新执行第一步。
第一步：编译。
cd ~/src/Firmware
make px4_sitl_default gazebo
第二步：source。了解ros功能包应该知道这一步是为了让系统知道有这个功能包存在，相当于设置环境变量，这样终端执行的时候就不会报找不到功能包的错误。
source Tools/setup_gazebo.bash $(pwd) $(pwd)/build/px4_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:$(pwd)
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:$(pwd)/Tools/sitl_gazebo
推荐大家手动source，打开终端输入gedit .bashrc。在弹出的txt文件最后一行，加入上述内容。值得注意的是，$(pwd)是要替换成对应的目录路径（PX4固件所在目录），我的路径是/home/fly_vision/px4_amov/Firmware（fly_vision是我的电脑名字，px4_amov是我存放固件的文件夹名字）。于是我的修改内容如下：
source /home/fly_vision/px4_amov/Firmware/Tools/setup_gazebo.bash /home/fly_vision/px4_amov/Firmware /home/fly_vision/px4_amov/Firmware/build/posix_sitl_default
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/home/fly_vision/px4_amov/Firmware
export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:/home/fly_vision/px4_amov/Firmware/Tools/sitl_gazebo
第三步：运行Gazebo仿真
roslaunch px4 posix_sitl.launch
因为会运行Gazebo，第一次启动会比较慢，耐心等待（如果报错，请关闭终端再次尝试，我的i5笔记本经常启动失败，这是你的笔记本提示你该花钱了的正常现象）。启动成功后，会看到Gazebo中有一个iris无人机。这时你可以打开QGC地面站，地面站会默认连接这台飞机，你可以尝试利用地面站发送起飞指令测试。
这个启动脚本位于Firmware/launch文件夹中，同时在此文件夹中，你还能看到其他类似的启动脚本。这里建议大家单独启动Mavros，而不是用它提供的另一个启动脚本同时启动（因为一个终端显示太多东西的话，报错你都看不到）。
第四步：运行Mavros
roslaunch mavros px4.launch fcu_url:="udp://:14540@127.0.0.1:14557"
此处我建议Mavros功能包使用二进制安装，比较省事。可以看到这里启动mavros时配置了一些端口参数（端口匹配才能成功连接），后续我会在PX4仿真模块中找到与之对应的参数配置。
尝试读取飞空的IMU数据，打开终端，输入
rostopic echo /mavros/imu/data
当然，除去imu消息，还有很多其他消息，可以使用下面指令查看都有哪些消息。
rostopic list
第四步：运行px4_command
px4_command功能包是阿木社区最新推出的科研无人机P200中的核心代码，暂时未开源。有需求的小伙伴可以联系我或者阿木社区负责人购买。
目前，我利用Gazebo仿真复现了px4_command功能包中的除去视觉之外的绝大部分功能，比如惯性系移动、机体系移动、悬停、降落等控制逻辑。除此之外，重新设计了位置控制器，设计了基于UDE的外环控制器，在仿真环境中进行了测试。总体用下来，感觉Gazebo仿真是进行二次开发的利器。比如，我修改了一些px4_command中控制无人机的上层代码，以前我只能通过真实飞行进行测试，那样有炸鸡危险。现在，我只需要使用Gazebo仿真，模拟真实飞行中的命令，在仿真环境中查看飞机的表现。值得注意的是，目前还只能检查代码的逻辑错误，及发送给飞控指令是否正确。自然不能100%仿真复现真实飞行中的轨迹，这是由于飞机的模型，传感器的模型，执行机构的模型都不是你真实飞行时的模型。
多机Gazebo仿真
在单个飞机仿真没问题之后，才能执行这一步。
roslaunch px4 multi_uav_mavros_sitl.launch
这是官方提供的多机仿真启动脚本，只提供了两架飞机，现在给出如何增加一台飞机的方法。
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在启动脚本中 multi_uav_mavros_sitl.launch增加 UAV3
- 复制一个组 (
UAV1 or UAV2)
- 将
ID 这个参数设置为 3
- 为
mavlink_udp_port 这个参数选择一个新的端口号，用于与Gazebo通信。
- 修改
fcu_url 这个参数，用于与mavros通信。
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创建一个新的rcS启动文件:
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从启动文件中复制一个 (iris_1 or iris_2)，并重命名为 iris_3。
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MAV_SYS_ID 修改为 3；
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SITL_UDP_PRT 值要与位于启动脚本中 mavlink_udp_port 参数匹配；
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第一个 mavlink start 端口号要与 mavlink stream 端口号一致，用于与QGC通信。
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第二个 mavlink start 端口号要与启动脚本中 fcu_url 参数一致。
这里比较混乱，建议大家亲手做一遍，加深理解。但是，我也会分享我修改后的两个文件给大家参考。
关于作者
阿木实验室科研无人机技术负责人、Mavros培训课程主讲老师、北理工博士
对任何与四旋翼无人机有关的话题感兴趣，欢迎交流。
个人微信号：qyp0210
发表于 2019-7-2 12:26:42
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