无人机 | MAVROS安装与基础知识梳理(附ROS C++仿真案例)

Ne0inhk

— 9 min read
无人机 | MAVROS安装与基础知识梳理(附ROS C++仿真案例)

目录

1 MAVROS简介

MAVROS是无人机开发中连接机器人操作系统（ROS）与飞控系统的关键中间件，通过标准化通信协议实现ROS节点与无人机的交互。它基于MAVLink（Micro Air Vehicle Link）轻量级通信协议，为ROS生态提供了与飞控（如Pixhawk、ArduPilot、PX4等）通信的统一接口，使开发者无需深入理解底层飞控协议，即可直接调用ROS的丰富工具链（如RViz可视化、Gazebo仿真、导航栈）快速搭建无人机任务，推动了无人机应用的灵活开发与高效迭代

MAVROS的核心功能包括双向数据传输：一方面，它订阅飞控的传感器数据（如IMU、GPS、电池状态）并发布至ROS话题，供导航、感知等模块使用；另一方面，它接收ROS服务或动作指令（如起飞、降落、位姿控制），转换为MAVLink消息发送至飞控执行。此外，MAVROS支持多种通信接口（串口、UDP、TCP），适配不同硬件场景，并提供参数配置服务，允许动态读写飞控参数（如PID调参、飞行模式切换）。

在这里插入图片描述

2 MAVROS安装

通过以下命令安装MAVROS

sudo apt-get install ros-noetic-mavros sudo apt install ros-noetic-mavros-extras

GeographicLib是一个开源的地理计算库，专门用于处理地球表面的高精度地理坐标计算，例如：

  • 经纬度与局部坐标系（如北东地坐标系，ENU）的转换
  • 地理坐标系之间的转换（如 WGS84 到 UTM）
  • 地球椭球模型下的距离、方位角、高程计算
  • 大地水准面（Geoid）的高度校正

MAVROS在处理无人机导航和地理空间数据时需要依赖GeographicLib提供的高精度地理计算功能，因此GeographicLib

wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh sudo chmod +x ./install_geographiclib_datasets.sh sudo ./install_geographiclib_datasets.sh

3 MAVROS基础知识

3.1 MAVROS坐标系

MAVROS中涉及到以下坐标系：

  • global系：一般由GPS定义，例如经纬高坐标系（WGS84）
  • local系：
    • ROS端：采用ENU坐标系，一般是由MAVROS发布的map坐标系，其坐标原点是MAVROS收到里程计信息时飞控所在的位置，并规定x轴朝东、y轴朝北、z轴朝天，此时机体方向朝东；
    • 飞控端：PX4/ArduPilot等内部使用，采用NED坐标系；
  • body系：
    • ROS端：采用FLU坐标系，即前左上，一般是由MAVROS发布的base_link坐标系
    • 飞控端：采用FRD坐标系，即前右下

具体关系如下图所示

在这里插入图片描述

以下面的场景为实例，map系和Gazebo里的坐标系方向一致。机身前方定义为东，即map系的x轴正方向，机身前进方向同时为base_link系的x轴正方向。所以从方向来看，ROS端的map系和base_link系一致

在这里插入图片描述

3.2 MAVROS常用话题

3.2.1 /mavros/state

  • 功能：订阅MAVROS的状态数据，如连接状态、是否解锁、当前无人机模式等
  • 参数说明：
    • connected： 检测无人机与地面站的物理连接状态
    • armed：监控无人机电机是否解锁，只有armed=true时表示电机已解锁，无人机可飞行
    • mode：常用模式有：
      • MANUAL：完全手动模式
      • POSCTL：位置控制模式
      • ALTCTL：高度控制模式
      • OFFBOARD：板外模式，ROS主机控制无人机需要切换到这个模式
      • MISSION：自动任务模式
      • LOITER：自动悬停模式
      • RTL：自动返航模式
      • LAND：自动降落模式
      • TAKEOFF：自动起飞模式
    • manual_input：检测是否有人工遥控器输入
    • system_status：无人机整体系统状态，分为未初始化、系统启动中、待机模式、任务执行中和紧急状态

数据类型：mavros_msgs/State

std_msgs/Header header uint32 seq time stamp string frame_id bool connected bool armed bool guided bool manual_input string mode uint8 system_status

3.2.2 /mavros/setpoint_position/local

  • 功能：定点飞行
  • 参数说明：只有position生效，不控制姿态orientation。position是相对于ROS端local坐标系的坐标

数据类型：geometry_msgs/PoseStamped

std_msgs/Header header uint32 seq time stamp string frame_id geometry_msgs/Pose pose geometry_msgs/Point position float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Quaternion orientation float64 x float64 y float64 z float64 w

3.2.3 /mavros/local_position/odom

  • 功能：提供无人机在ROS端坐标系的位姿和速度里程计信息
  • 参数说明：位姿信息是相对于ROS端local坐标系的坐标，速度信息是是相对于ROS端body坐标系的坐标

数据类型：nav_msgs/Odometry

std_msgs/Header header uint32 seq time stamp string frame_id string child_frame_id geometry_msgs/PoseWithCovariance pose geometry_msgs/Pose pose geometry_msgs/Point position float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Quaternion orientation float64 x float64 y float64 z float64 w float64[36] covariance geometry_msgs/TwistWithCovariance twist geometry_msgs/Twist twist geometry_msgs/Vector3 linear float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Vector3 angular float64 x float64 y float64 z float64[36] covariance

3.2.4 /mavros/setpoint_raw/local

  • 功能：主要用于设置无人机各轴的加速度或推力
  • 参数说明：
    • coordinate_frame：飞控端采用的坐标系，一般设置为FRAME_LOCAL_NED，但是该话题数据都是在ROS端坐标系下，MAVROS会自动进行一次坐标变换
    • type_mask：类型掩码，例如只控制加速度需要将位置、速度、角速度等标志为置为忽略

数据类型：mavros_msgs::PositionTarget

std_msgs/Header header uint8 coordinate_frame uint8 FRAME_LOCAL_NED = 1 uint8 FRAME_LOCAL_OFFSET_NED = 7 uint8 FRAME_BODY_NED = 8 uint8 FRAME_BODY_OFFSET_NED = 9 uint16 type_mask uint16 IGNORE_PX = 1 # Position ignore flags uint16 IGNORE_PY = 2 uint16 IGNORE_PZ = 4 uint16 IGNORE_VX = 8 # Velocity vector ignore flags uint16 IGNORE_VY = 16 uint16 IGNORE_VZ = 32 uint16 IGNORE_AFX = 64 # Acceleration/Force vector ignore flags uint16 IGNORE_AFY = 128 uint16 IGNORE_AFZ = 256 uint16 FORCE = 512 # Force in af vector flag uint16 IGNORE_YAW = 1024 uint16 IGNORE_YAW_RATE = 2048 geometry_msgs/Point position geometry_msgs/Vector3 velocity geometry_msgs/Vector3 acceleration_or_force float32 yaw float32 yaw_rate

3.2.5 /mavros/setpoint_raw/attitude

  • 功能：用于设置无人机的姿态、推力和各轴角速度

数据类型：mavros_msgs::AttitudeTarget

std_msgs/Header header uint8 type_mask uint8 IGNORE_ROLL_RATE = 1 # body_rate.x uint8 IGNORE_PITCH_RATE = 2 # body_rate.y uint8 IGNORE_YAW_RATE = 4 # body_rate.z uint8 IGNORE_THRUST = 64 uint8 IGNORE_ATTITUDE = 128 # orientation field geometry_msgs/Quaternion orientation geometry_msgs/Vector3 body_rate float32 thrust

3.3 MAVROS常用服务

3.3.1 /mavros/cmd/arming

  • 功能：用于设置无人机的上锁或解锁状态

数据类型：mavros_msgs/CommandBool

bool value // true解锁,false上锁 --- bool success uint8 result

3.3.2 /mavros/set_mode

  • 功能：用于设置无人机飞控的飞行模式
  • 参数说明：ROS端控制要切换到OFFBOARD模式

数据类型：mavros_msgs/SetMode

string custom_mode uint8 base_mode uint8 MAV_MODE_PREFLIGHT=0 uint8 MAV_MODE_STABILIZE_DISARMED=80 uint8 MAV_MODE_STABILIZE_ARMED=208 uint8 MAV_MODE_MANUAL_DISARMED=64 uint8 MAV_MODE_MANUAL_ARMED=192 uint8 MAV_MODE_GUIDED_DISARMED=88 uint8 MAV_MODE_GUIDED_ARMED=216 uint8 MAV_MODE_AUTO_DISARMED=92 uint8 MAV_MODE_AUTO_ARMED=220 uint8 MAV_MODE_TEST_DISARMED=66 uint8 MAV_MODE_TEST_ARMED=194 --- bool mode_sent

4 仿真案例

4.1 案例一：设置无人机板外模式并解锁

this->arm_client_ =this->nh_.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>("mavros/cmd/arming");this->set_mode_client_ =this->nh_.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>("mavros/set_mode"); mavros_msgs::SetMode offboardMode; offboardMode.request.custom_mode ="OFFBOARD"; mavros_msgs::CommandBool armCmd; armCmd.request.value =true; ros::Time lastRequest = ros::Time::now();while(ros::ok()){if(this->mavros_state_.mode !="OFFBOARD"&&(ros::Time::now()- lastRequest > ros::Duration(5.0))){if(this->set_mode_client_.call(offboardMode)&& offboardMode.response.mode_sent){ cout <<"Offboard mode enabled."<< endl;} lastRequest = ros::Time::now();}else{if(!this->mavros_state_.armed &&(ros::Time::now()- lastRequest > ros::Duration(5.0))){if(this->arm_client_.call(armCmd)&& armCmd.response.success){ cout <<"Vehicle armed."<< endl;} lastRequest = ros::Time::now();}} r.sleep();}

4.2 案例二：无人机起飞到指定高度

假设要飞到1m的高度

this->position_pub_ =this->nh_.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>("/mavros/setpoint_position/local",1000); geometry_msgs::PoseStamped ps; ps.header.frame_id ="map"; ps.header.stamp = ros::Time::now(); ps.pose.position.x =this->odom_.pose.pose.position.x; ps.pose.position.y =this->odom_.pose.pose.position.y; ps.pose.position.z =1.0; ps.pose.orientation =this->odom_.pose.pose.orientation;this->position_pub_.publish(ps);

4.3 获取无人机位姿并更新状态

this->odom_sub_ =this->nh_.subscribe<nav_msgs::Odometry>("/mavros/local_position/odom",1000,&flightBase::odomCB,this);void flightBase::odomCB(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr &odom){this->odom_ =*odom;this->curr_position_(0)=this->odom_.pose.pose.position.x;this->curr_position_(1)=this->odom_.pose.pose.position.y;this->curr_position_(2)=this->odom_.pose.pose.position.z; Eigen::Vector3d curr_vel_body(this->odom_.twist.twist.linear.x,this->odom_.twist.twist.linear.y,this->odom_.twist.twist.linear.z); Eigen::Vector4d orientation_quat(this->odom_.pose.pose.orientation.w,this->odom_.pose.pose.orientation.x,this->odom_.pose.pose.orientation.y,this->odom_.pose.pose.orientation.z); Eigen::Matrix3d orientation_rot =quat2RotMatrix(orientation_quat);this->curr_vel_ = orientation_rot * curr_vel_body;}

完整工程代码请联系下方博主名片获取

🔥 更多精彩专栏：

👇源码获取 · 技术交流 · 抱团学习 · 咨询分享 请联系👇

Read more

【C++BFS算法】909. 蛇梯棋|2019

【C++BFS算法】909. 蛇梯棋|2019

本文涉及知识点 C++BFS算法 LeetCode909. 蛇梯棋 给你一个大小为 n x n 的整数矩阵 board ，方格按从 1 到 n2 编号，编号遵循 转行交替方式 ，从左下角开始 （即，从 board[n - 1][0] 开始）的每一行改变方向。 你一开始位于棋盘上的方格 1。每一回合，玩家需要从当前方格 curr 开始出发，按下述要求前进： 选定目标方格 next ，目标方格的编号在范围 [curr + 1, min(curr + 6, n2)] 。 该选择模拟了掷 六面体骰子 的情景，无论棋盘大小如何，玩家最多只能有 6

By Ne0inhk

【C++物理引擎碰撞精度优化】：揭秘高精度碰撞检测背后的核心算法与性能平衡策略

第一章：C++物理引擎中碰撞精度的核心挑战 在C++编写的物理引擎中，实现高精度的碰撞检测是确保模拟真实感的关键环节。由于浮点数运算的固有误差、物体高速运动导致的穿透问题以及复杂几何体之间的交集判断，碰撞精度面临多重技术挑战。 浮点精度与数值稳定性 浮点数在表示位置和速度时存在舍入误差，尤其在频繁迭代的物理模拟中，微小误差会逐步累积，导致物体“抖动”或错误触发碰撞。为缓解该问题，常采用容差值（epsilon）进行比较： const float EPSILON = 1e-6f; bool areEqual(float a, float b) { return std::abs(a - b) < EPSILON; // 使用容差避免直接相等判断 } 连续碰撞检测 vs 离散检测 离散检测仅在每帧检查物体状态，高速运动物体可能跳过障碍物。连续碰撞检测（CCD）通过插值轨迹预测碰撞时间，提升精度。 * 离散检测：计算开销小，

By Ne0inhk
C++ 类和对象（二）：默认成员函数详解

C++ 类和对象（二）：默认成员函数详解

在 C++ 面向对象编程中，类的默认成员函数是非常重要的概念。当我们没有显式实现某些成员函数时，编译器会自动生成它们，这些函数被称为默认成员函数。本文将详细介绍 C++ 类的 6 个默认成员函数，包括构造函数、析构函数、拷贝构造函数、赋值运算符重载以及取地址运算符重载。 一、默认成员函数概述 默认成员函数是指用户没有显式实现，编译器会自动生成的成员函数。一个类在我们不写任何成员函数的情况下，编译器会默认生成以下 6 个默认成员函数：构造函数析构函数拷贝构造函数赋值运算符重载普通取地址运算符重载const 取地址运算符重载         其中前 4 个是我们需要重点掌握的，后两个在大多数情况下使用编译器自动生成的即可。另外，C++11 以后还增加了两个默认成员函数：移动构造和移动赋值，本文暂不讨论。 二、构造函数         构造函数是一种特殊的成员函数，其作用是在对象实例化时初始化对象，替代了我们以前手动调用的Init函数，并且会自动调用。 构造函数的特点：函数名与类名相同无返回值（不需要写void）对象实例化时系统会自动调用对应的构造函数可以重载

By Ne0inhk
【C++贪心】P8769 [蓝桥杯 2021 国 C] 巧克力|普及+

【C++贪心】P8769 [蓝桥杯 2021 国 C] 巧克力|普及+

本文涉及知识点 C++贪心 [蓝桥杯 2021 国 C] 巧克力 题目描述 小蓝很喜欢吃巧克力，他每天都要吃一块巧克力。 一天小蓝到超市想买一些巧克力。超市的货架上有很多种巧克力，每种巧克力有自己的价格、数量和剩余的保质期天数，小蓝只吃没过保质期的巧克力，请问小蓝最少花多少钱能买到让自己吃 x x x 天的巧克力。 输入格式 输入的第一行包含两个整数 x x x， n n n，分别表示需要吃巧克力的天数和巧克力的种类数。 接下来 n n n 行描述货架上的巧克力，其中第 i i i 行包含三个整数 a i a_i ai ， b i b_i bi

By Ne0inhk