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仿真 ​

在仿真机中，模拟器允许 PX4 飞行代码来控制计算机建模工具。你可以像与真实飞行器交互一样，使用 QGroundControl、机载外 API 或无线电控制器/游戏手柄与该虚拟飞行器进行交互。

TIP

仿真提供了一种快速、便捷且最重要的是 安全 的方式，可在将 PX4 代码应用于实际飞行之前对其更改进行测试。对于尚未拥有实际飞行器进行实验的用户来说，这也是开始使用 PX4 飞行的好方法。

PX4 支持 软件在环（SITL） 仿真和 硬件在环（HITL） 仿真。在 SITL 仿真中，飞行栈在计算机（可以是同一台计算机，也可以是同一网络中的另一台计算机）上运行；而 HITL 仿真则是在真实的飞行控制器板上使用仿真固件。

下一节将提供可用模拟器的相关信息以及如何进行设置。其他部分将提供关于模拟器工作原理的一般信息，使用模拟器时并不一定需要了解这些内容。

支持的仿真器 ​

PX4 核心开发团队支持以下几种模拟器：

仿真器描述
Gazebo

强烈推荐使用此模拟器。

Gazebo 取代了 Gazebo Classic，具有更先进的渲染、物理和传感器模型。从 Ubuntu Linux 22.04 开始，它是唯一可用的 Gazebo 版本。

这是一个强大的 3D 仿真环境，特别适合测试避障和计算机视觉功能。它还可用于 多工具仿真，并且通常与 ROS（一种用于自动控制的工具集）一起使用。

支持的飞行器： 四旋翼、标准垂直起降飞行器、固定翼飞机

Gazebo Classic

强烈推荐使用此模拟器。

这是一个强大的 3D 仿真环境，特别适合测试避障和计算机视觉功能。它还可用于 多飞行器仿真，并且通常与 ROS（一种用于自动控制的工具集）一起使用。

支持的飞行器： 四旋翼（Iris）、六旋翼（Typhoon H480）、通用标准垂直起降飞行器（QuadPlane）、尾坐式飞行器、固定翼飞机、无人车、潜艇

此外，还有一些 社区支持的模拟器。

所有模拟器都使用 Simulator MAVLink API 与 PX4 进行通信，但使用模拟器时并不一定需要了解该 API。

除了 Gazebo 之外，所有模拟器都使用 Simulator MAVLink API 与 PX4 进行通信。该 API 定义了一组 MAVLink 消息，用于将模拟世界中的传感器数据提供给 PX4，并将飞行代码计算得到的电机和执行器值返回给模拟飞行器。下图展示了消息的流向：

Simulator MAVLink API

INFO

PX4 的 SITL 版本使用 SimulatorMavlink.cpp 来处理这些消息，而处于 HIL 模式的硬件版本则使用 mavlink_receiver.cpp。在使用模拟时，所有电机/执行器都被卡停，但内部软件可以完全正常运行。

以下是这些消息的详细描述（具体细节请参考链接）：

消息方向描述
MAV_MODE:MAV_MODE_FLAG_HIL_ENABLED不可用使用模拟时的模式标志。所有电机/执行器都被卡停，但内部软件可以完全正常运行。
HIL_ACTUATOR_CONTROLSPX4 至 SimPX4 控制输出 （电机、执行器）。
HIL_SENSORSim 至 PX4在 NED 体框架中以 SI 单位模拟 IMU 读数。
HIL_GPSSim 至 PX4模拟的 GPS RAW 传感器值。
HIL_OPTICAL_FLOWSim 至 PX4来自流量传感器的模拟光流 （例如 PX4FLOW 或光学鼠标传感器）。
HIL_STATE_QUATERNIONSim 至 PX4包含实际的“仿真”无人机位置、姿态、速度等。这可以记录并与 px4 的分析和调试估计进行比较 （例如，检查估计器在噪声 （仿真） 传感器输入中的工作情况）。
HIL_RC_INPUTS_RAWSim 至 PX4收到 RC 通道的 RAW 值。

PX4 直接使用 Gazebo API 与 Gazebo 进行交互，不需要使用 MAVLink。

默认情况下，PX4 使用常用的 UDP 端口与地面控制站（如 QGroundControl）、机载外 API（如 MAVSDK、MAVROS）和模拟器 API（如 Gazebo）进行 MAVLink 通信。这些端口如下：

  • PX4 的远程 UDP 端口 14550 用于与地面控制站通信。期望外接 APIs 监听此端口上的连接。QGroundControl 默认监听此端口。
  • PX4 的远程 UDP 端口 14540 用于与机载外 API 通信。期望 GCS 将侦听此端口上的连接。

    INFO

    多飞行器仿真为每个实例使用单独的远程端口，从 14540 到 14549 依次分配（额外的实例都使用端口 14549）。

  • 模拟器的本地 TCP 端口 4560 用于与 PX4 通信。PX4 侦听此端口，仿真器应通过向该端口广播数据来启动通信。

INFO

地面控制站、机载外 API 和模拟器的端口由启动脚本指定。更多信息请参阅 系统启动。

SITL 仿真环境 ​

下图展示了使用 MAVLink 的任何受支持模拟器（即除 Gazebo 之外的所有模拟器）的典型 SITL 仿真环境：

PX4 SITL overview

系统的不同部分通过 UDP 连接，可以在同一台计算机上运行，也可以在同一网络中的不同计算机上运行。

  • PX4 使用特定于仿真的模块连接到模拟器的本地 TCP 端口 4560。然后，模拟器使用上述 Simulator MAVLink API 与 PX4 交换信息。SITL 和模拟器上的 PX4 可以在同一台计算机上运行，也可以在同一网络上的不同计算机上运行。

    INFO

    模拟器还可以使用 uxrce - dds 桥 (XRCE - DDS) 直接与 PX4 交互（即通过 UORB 主题 而不是 MAVLink）。Gazebo Classic 在 多飞行器仿真 中 可能 会使用这种方法。

  • PX4 使用正常的 MAVLink 模块连接到地面站和外部开发人员 API（如 MAVSDK 或 ROS）：
    • 地面站监听 PX4 的远程 UDP 端口：14550
    • 外部开发人员 API 监听 PX4 的远程 UDP 端口：14540。对于多飞行器仿真，PX4 从 14540 到 14549 为每个实例依次分配一个单独的远程端口（额外的实例都使用端口 14549）。
  • PX4 定义了一些 本地 UDP 端口（14580、18570），这些端口有时在与在容器或虚拟机中运行的 PX4 进行网络连接时使用。不建议“一般”使用这些端口，并且它们可能会在未来发生变化。
  • 可以使用串行连接通过 QGroundControl 连接 操纵杆/游戏手柄 硬件。

如果使用正常的构建系统 SITL make 配置目标（见下一节），则 SITL 和模拟器将在同一台计算机上启动，并且上述端口将自动配置。你可以在构建配置和初始化文件中配置额外的 MAVLink UDP 连接，并以其他方式修改仿真环境。

启动/构建 SITL 模拟 ​

构建系统使得在 SITL 上构建和启动 PX4、启动模拟器并将它们连接起来变得非常容易。语法（简化后）如下：

sh
make px4_sitl simulator[_vehicle-model]

其中，simulator 可以是 gz（用于 Gazebo）、gazebo-classic、jmavsim 或其他模拟器，vehicle-model 是该模拟器支持的特定飞行器类型（截至编写本文时，Gazebo 和 jMAVSim 仅支持多旋翼飞行器，而 Gazebo Classic 支持多种不同类型）。

以下是一些示例，每个模拟器的单独页面中还有更多示例：

sh
# 使用 x500 多旋翼飞行器启动 Gazebo
make px4_sitl gz_x500

# 使用固定翼飞机启动 Gazebo Classic
make px4_sitl gazebo-classic_plane

# 使用 iris 多旋翼飞行器和光流传感器启动 Gazebo Classic
make px4_sitl gazebo-classic_iris_opt_flow

# 使用 iris 多旋翼飞行器（默认飞行器模型）启动 JMavSim
make px4_sitl jmavsim

# 启动 PX4 但不使用模拟器（即使用自己的“自定义”模拟器）
make px4_sitl none_iris

可以通过环境变量进一步配置仿真：

  • PX4_ESTIMATOR：该变量用于配置使用的估计器。可能的选项有：ekf2（默认）、lpe（已弃用）。可以在运行仿真之前通过 export PX4_ESTIMATOR=lpe 进行设置。

这里描述的语法是简化的，通过 make 还有许多其他选项可以配置，例如设置连接到 IDE 或调试器。更多信息请参阅：构建代码 > PX4 Make 构建目标。

以比实际时间更快的流速运行仿真 ​

使用 jMAVSim 或 Gazebo Classic 时，SITL 可以比实时更快或更慢地运行。

速度因子通过环境变量 PX4_SIM_SPEED_FACTOR 设置。例如，要以两倍实时速度运行 jMAVSim 仿真，可以使用以下命令：

sh
PX4_SIM_SPEED_FACTOR=2 make px4_sitl jmavsim

要以半实时速度运行：

sh
PX4_SIM_SPEED_FACTOR=0.5 make px4_sitl jmavsim

可以使用 EXPORT 在当前会话的所有 SITL 运行中应用该因子：

sh
export PX4_SIM_SPEED_FACTOR=2
make px4_sitl jmavsim

INFO

在某些情况下，IO 或 CPU 会限制你的机器能够达到的速度，此时仿真会“自动”减慢。功能强大的桌面机器通常可以以大约 6 - 10 倍的速度运行仿真，而笔记本电脑可以达到大约 3 - 4 倍的速度。

INFO

为避免 PX4 检测到数据链路超时，应根据仿真速率成比例地增加参数 COM_DL_LOSS_T 的值。例如，如果 COM_DL_LOSS_T 在实时情况下为 10，在 10 倍仿真速率下应增加到 100。

Lockstep Simulation ​

PX4 SITL 和模拟器（jMAVSim 或 Gazebo Classic）已设置为以 锁步 模式运行。这意味着 PX4 和模拟器会相互等待传感器和执行器消息，而不是以各自的速度运行。

INFO

锁步模式使得可以 比实时更快或更慢地运行仿真，并且还可以暂停仿真以便逐行调试代码。

锁步模式的步骤序列如下：

  1. 仿真器发送一个传感器消息 HIL_SENSOR，其中包含一个时间戳 time_usec，以更新 PX4 的传感器状态和时间。
  2. PX4 接收该消息并进行一次状态估计、控制等操作，最终发送一个执行器消息 HIL_ACTUATOR_CONTROLS。
  3. 仿真器等待直到收到执行器/电机消息，然后模拟物理过程并计算下一个要发送给 PX4 的传感器消息。

系统开始时有一个“自由运行”阶段，在此期间仿真器发送包含时间的传感器消息，从而使 PX4 运行，直到它初始化并响应一个执行器消息。

Disable Lockstep Simulation ​

如果要将 SITL 与不支持此功能的模拟器一起使用，可以禁用锁步仿真。在这种情况下，模拟器和 PX4 使用主机系统时间，并且不会相互等待。

要在 PX4 中禁用锁步，请运行 make px4_sitl_default boardconfig 并设置位于工具链下的 BOARD_NOLOCKSTEP “强制禁用锁步”符号。

要在 Gazebo 中禁用锁步，请编辑 模型 SDF 文件 并设置 <enable_lockstep>false</enable_lockstep>。

要在 jMAVSim 中禁用锁步，请删除 sitl_run.sh 中的 -l，或者确保以其他方式在启动 Java 二进制文件时不使用 -lockstep 标志。

启动脚本 ​

脚本用于控制使用哪些参数设置或启动哪些模块。它们位于 ROMFS/px4fmu_common/init.d-posix 目录中，rcS 文件是主要入口点。更多信息请参阅 系统启动。

Simulating Failsafes and Sensor/Hardware Failure ​

模拟故障保护 解释了如何触发诸如 GPS 故障和电池耗尽等安全故障保护机制。

HITL 仿真环境 ​

硬件在环仿真（HITL）模式下，标准的 PX4 固件在真实的硬件上运行。HITL 仿真环境的详细信息记录在：HITL 仿真。

操纵杆／手柄集成 ​

QGroundControl 的桌面版本可以连接到 USB 操纵杆/游戏手柄，并通过 MAVLink 将其