使用 Gazebo Classic 进行多载具仿真

本主题介绍如何使用 Gazebo Classic 仿真环境 和软件在环仿真（SITL，仅适用于 Linux 系统）对多架无人机进行仿真。 在使用和不使用 ROS 的情况下，采用的仿真是不同的方法。

使用 Gazebo Classic 进行多载具仿真

要在 Gazebo Classic 中对多架 Iris 或固定翼飞机载具进行仿真，请在终端中（从 Firmware 目录树的根目录执行）使用以下命令：

Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_multiple_run.sh [-m <model>] [-n <number_of_vehicles>] [-w <world>] [-s <script>] [-t <target>] [-l <label>]

• <model>：要生成的 载具类型/模型，例如：iris（默认值）、plane（固定翼飞机）、standard_vtol（标准垂直起降飞行器）、rover（无人车）、r1_rover、typhoon_h480（六旋翼飞行器）。

• <number_of_vehicles>：要生成的载具数量。 默认值为 3。 最大值为 254。

• <world>：载具应生成到的 世界场景，例如：empty（默认值）。

• <script>：生成多种不同类型的载具（覆盖 -m 和 -n 中的值）。 例如：

  -s "iris:3,plane:2,standard_vtol:3"

  • 支持的载具类型有：iris、plane、standard_vtol、rover、r1_rover、typhoon_h480。
  • 冒号后面的数字表示要生成的（该类型）载具数量。
  • 载具的最大数量为 254。

• <target>：构建目标，例如：px4_sitl_default（默认值）、px4_sitl_nolockstep。

• <label>：模型的特定标签，例如：rplidar。

每个载具实例都会被分配一个唯一的 MAVLink 系统 ID（2、3、4 等）。 为了在 命名空间 之间保持一致性，会跳过 MAVLink 系统 ID 1。 载具实例通过按顺序分配的 PX4 远程 UDP 端口进行访问：14541 - 14548（其他额外的实例都使用相同的远程 UDP 端口 14549 进行访问）。

INFO

出现 254 个载具的限制是因为 MAVLink 的 MAV_SYS_ID 在同一网络中仅支持 255 个载具（并且第一个会被跳过）。 MAV_SYS_ID 是在 SITL 的 rcS 文件中分配的：init.d-posix/rcS

视频：多架多旋翼飞行器（Iris）

视频：多架固定翼飞机

视频：多架垂直起降飞行器

构建与测试（XRCE-DDS）

Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_multiple_run.sh 可用于在 Gazebo Classic 中对通过 XRCE-DDS 连接的多载具进行仿真。

INFO

你需要先安装 XRCE-DDS 的依赖项。 有关更多信息，请参阅：ROS 2 用户指南（PX4-ROS 2 桥接），了解与 ROS 2 节点的接口相关内容。

要构建一个示例设置，请按照以下步骤操作：

1. 克隆 PX4/Firmware 代码，然后构建 SITL 代码：

   cd Firmware_clone
   git submodule update --init --recursive
   DONT_RUN=1 make px4_sitl gazebo-classic

2. 按照 此处的说明 构建 micro xrce-dds agent 和接口包。

3. 运行 Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_multiple_run.sh。 例如，要生成 4 个载具，运行：

   ./Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_multiple_run.sh -m iris -n 4

   INFO

   每个载具实例都会被分配一个唯一的 MAVLink 系统 ID（2、3、4 等）。 MAVLink 系统 ID 1 会被跳过。

:::

4. 运行 MicroXRCEAgent。 它将自动连接到所有四个载具：

   MicroXRCEAgent udp4 -p 8888

   INFO

   仿真器启动脚本会自动为每个载具分配一个 唯一的命名空间。

:::

使用 MAVROS 和 Gazebo Classic 进行多载具仿真

本示例展示了一个设置，该设置会打开 Gazebo Classic 客户端图形用户界面（GUI），在一个空的世界场景中显示两架 Iris 载具。 然后，你可以像管理单个载具一样，使用 QGroundControl 和 MAVROS 来控制这些载具。

所需条件

• 当前的 PX4 ROS/Gazebo 开发环境（其中包括 MAVROS 软件包）。
• 最新的 PX4/PX4-Autopilot 的克隆版本。

构建与测试

要构建一个示例设置，请按照以下步骤操作：

1. 克隆 PX4/PX4-Autopilot 代码，然后构建 SITL 代码：

   cd Firmware_clone
   git submodule update --init --recursive
   DONT_RUN=1 make px4_sitl_default gazebo-classic

2. 配置环境变量：

   source Tools/simulation/gazebo-classic/setup_gazebo.bash $(pwd) $(pwd)/build/px4_sitl_default
   export ROS_PACKAGE_PATH=$ROS_PACKAGE_PATH:$(pwd):$(pwd)/Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_gazebo

3. 运行启动文件：

   roslaunch px4 multi_uav_mavros_sitl.launch

   INFO

   你可以在上述 roslaunch 命令中指定 gui:=false，以在不启动 Gazebo Classic 用户界面的情况下启动它。

:::

该教程示例会打开 Gazebo Classic 客户端 GUI，在一个空的世界场景中显示两架 Iris 载具。

你可以像管理单个载具一样，使用 QGroundControl 或 MAVROS 来控制这些载具：

• QGroundControl 会有一个下拉菜单，用于选择处于“聚焦”状态的载具。
• MAVROS 要求你在主题/服务路径前包含正确的命名空间（例如，对于 <group ns="uav1">，你将使用 /uav1/mavros/mission/push）。

运行原理

对于每个模拟的载具，需要以下组件：

• Gazebo Classic 模型：这在 PX4-Autopilot/Tools/simulation/gazebo-classic/sitl_gazebo-classic/models/rotors_description/urdf/<model>_base.xacro 中定义为 xacro 文件，请参阅 此处。 当前，假设模型的 xacro 文件以 base.xacro 结尾。 该模型应该有一个名为 mavlink_udp_port 的参数，用于定义 Gazebo Classic 将与 PX4 节点进行通信的 UDP 端口。 模型的 xacro 文件将用于生成一个包含你所选 UDP 端口的 urdf 模型。 要定义 UDP 端口，请在启动文件中为每个载具设置 mavlink_udp_port，示例请参阅 此处。

  INFO

  如果你使用的是相同的载具模型，不需要为每个载具单独准备一个 xacro 文件。同一个 xacro 文件就足够了。

:::

• PX4 节点：这是 SITL PX4 应用程序。 它通过与 Gazebo Classic 载具模型中定义的相同 UDP 端口（即 mavlink_udp_port）与仿真器 Gazebo Classic 进行通信。 要在 PX4 SITL 应用程序端设置 UDP 端口，你需要在启动文件中设置 SITL_UDP_PRT 参数，使其与前面讨论的 mavlink_udp_port 匹配，示例请参阅 此处。 启动文件在启动文件中的路径是根据 vehicle 和 ID 参数生成的，示例请参阅 此处。 启动文件中每个载具的 MAV_SYS_ID，示例请参阅 此处，应该与启动文件中该载具的 ID 匹配，此处。 这将有助于确保启动文件和启动脚本之间的配置一致。

• MAVROS 节点（可选）：如果要通过 ROS 控制载具，可以在启动文件中运行一个单独的 MAVROS 节点，示例请参阅 此处，以便连接到 PX4 SITL 应用程序。 你需要在启动文件中在一组唯一的端口上启动 MAVLink 流，示例请参阅 此处。 这些唯一的端口组需要与启动文件中 MAVROS 节点的端口匹配，示例请参阅 此处。

启动文件 multi_uav_mavros_sitl.launch 执行以下操作：

• 在 Gazebo Classic 中加载一个世界场景：

    <!-- Gazebo 仿真 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="gui" value="$(arg gui)"/>
        <arg name="world_name" value="$(arg world)"/>
        <arg name="debug" value="$(arg debug)"/>
        <arg name="verbose" value="$(arg verbose)"/>
        <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
    </include>

• 对于每个载具：

  • 从 xacro 创建 urdf 模型，加载 Gazebo Classic 模型并运行 PX4 SITL 应用程序实例：

      <!-- PX4 SITL 和载具生成 -->
      <include file="$(find px4)/launch/single_vehicle_spawn.launch">
          <arg name="x" value="0"/>
          <arg name="y" value="0"/>
          <arg name="z" value="0"/>
          <arg name="R" value="0"/>
          <arg name="P" value="0"/>
          <arg name="Y" value="0"/>
          <arg name="vehicle" value="$(arg vehicle)"/>
          <arg name="rcS" value="$(find px4)/posix-configs/SITL/init/$(arg est)/$(arg vehicle)_$(arg ID)"/>
          <arg name="mavlink_tcp_port" value="4560"/>
          <arg name="ID" value="$(arg ID)"/>
      </include>

  • 运行一个 MAVROS 节点：

      <!-- MAVROS -->
      <include file="$(find mavros)/launch/px4.launch">
          <arg name="fcu_url" value="$(arg fcu_url)"/>
          <arg name="gcs_url" value=""/>
          <arg name="tgt_system" value="$(arg ID)"/>
          <arg name="tgt_component" value="1"/>
      </include>

  INFO

  每个载具的完整代码块都包含在一组 <group> 标签中，以分隔载具的 ROS 命名空间。

:::

要在这个仿真中添加第三架 Iris 载具，需要考虑两个主要组件：

• 向 multi_uav_mavros_sitl.launch 添加 UAV3：

  • 复制现有载具（UAV1 或 UAV2）的组。
  • 将 ID 参数递增为 3。
  • 为 mavlink_udp_port 参数选择一个不同的端口，用于与 Gazebo Classic 通信。
  • 通过修改 fcu_url 参数中的两个端口号，选择用于 MAVROS 通信的端口。

• 创建一个启动文件，并按如下方式修改文件：

  • 复制一个现有的 Iris rcS 启动文件（iris_1 或 iris_2），并将其重命名为 iris_3。

  • 将 MAV_SYS_ID 值设置为 3。

  • 将 SITL_UDP_PRT 值设置为与启动文件中 mavlink_udp_port 参数的值匹配。

  • 将第一个 mavlink start 端口和 mavlink stream 端口的值设置为相同的值，该值将用于与 QGC 通信。

  • 第二个 mavlink start 端口需要与启动文件 fcu_url 参数中使用的端口匹配。

    INFO

    请注意不同端点的 src 和 dst 分别是哪个端口。

:::

使用 SDF 模型进行多载具仿真

本节展示了开发人员如何使用 Gazebo Classic SDF 文件中定义的载具模型来模拟多载具（而不是像本主题其余部分所讨论的那样，使用 ROS Xacro 文件中定义的模型）