无人机 | MAVROS安装与基础知识梳理(附ROS C++仿真案例)

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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;}

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