Mavros在线控制 (C++)

注意：本文适用于所有Kerloud无人机产品

mavros ROS程序包可视为运行ROS的计算机、启用MAVLink的无人机和启用MAVLink的地面站三者间的网关，其安装流程可参考： https://dev.px4.io/v1.9.0/en/ros/mavros_installation.html 或 https://github.com/mavlink/mavros/tree/master/mavros#installation. 我们提供了一个现成的工程环境，用户可以在如下目录中开发其应用程序： ~/src/uav_space/catkinws_offboard，该目录下包含三个文件夹：mavlink、mavros和offboard_demo。由于国内网络限制，如果用户想从头开始操作，可能会在尝试访问github资源或 rosdep时出现中断。

Hint

Kerloud 无人机的软件代码在产品升级中已经移到 ~/src/uav_space 目录下面，旧版代码用户可以在我们官方论坛 https://discourse.cloudkernel.cn 进行咨询

Pixhawk设置

为了使能Pixhawk的offboard控制模式，建议用户参照如下网页中的介绍： https://dev.px4.io/master/en/ros/offboard_control.html, https://dev.px4.io/master/en/companion_computer/pixhawk_companion.html。在我们的环境下，用户可以按如下内容对Pixhawk板载参数进行设置：

针对默认安装的 Kerloud mini 自驾仪:

MAV_0_CONFIG = TELEM 1
MAV_0_MODE = Normal
MAV_0_FORWARD = Enable
SER_TEL1_BAUD = 57600

MAV_1_CONFIG = TELEM 2
MAV_1_MODE = Onboard
MAV_1_FORWARD = Enable
SER_TEL2_BAUD = 921600

如何编译

编译环节我们采用catkin-tools，它比常规的catkin_make快很多。有关catkin工具的详细信息，请参见：https://catkin-tools.readthedocs.io。用户可以按以下指令对工程环境进行编译：

cd ~/src/uav_space/catkinws_offboard
catkin init  # initialize the workspace
catkin build -j2  # build the workspace with two threads only to avoid overloading in Jetson Nano

编译过程耗时超过十分钟，首次操作请耐心等待。使用如下指令可清除工程环境：

cd ~/src/uav_space/catkinws_offboard
catkin clean

例程代码讲解

offboard_demo文件夹下的例程实现航点飞行任务。航点信息在yaml文件中定义，其路径为src/ offboard_demo/launch/waypoints_xyzy.yaml，文件中还包含ENU坐标和相应的偏航值。该软件包支持SITL（软件在环）仿真，用户可以在实际飞行前对自身软件进行测试。为了描述清晰，我们按顺序对main()函数进行讲解。

（1）对于订阅、发布和服务信息的声明

//subscriptions, publications and services
ros::Subscriber state_sub = nh.subscribe<mavros_msgs::State>
        ("mavros/state", 10, state_cb);
ros::Subscriber local_pose_sub = nh.subscribe<geometry_msgs::PoseStamped>
        ("mavros/local_position/pose", 10, local_pose_cb);
ros::Subscriber rc_input_sub = nh.subscribe<mavros_msgs::RCIn>
        ("mavros/rc/in", 5, rc_input_cb);
ros::Publisher local_pos_pub = nh.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>
        ("mavros/setpoint_position/local", 10);
ros::ServiceClient arming_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>
        ("mavros/cmd/arming");
ros::ServiceClient set_mode_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>
        ("mavros/set_mode");

我们通常会在main程序的开头对ROS订阅、发布和服务信息进行声明。 mavros软件包中的各类主题、服务易于使用，可用于查询状态信息、发送指令等，细节详见：http://wiki.ros.org/mavros。例如，若要获取飞机的本地位置信息，则需要订阅mavros/setpoint_position/local主题。需注意，采用ENU（East-North-Up，东北上）坐标系。

载入航点信息，检查仿真结果

// load yaml files
XmlRpc::XmlRpcValue wp_list;
private_nh.getParam("waypoints",wp_list);

// simulation flag
int simulation_flag = 0;
private_nh.param("simulation_flag", simulation_flag, 0);

正常通过后，航点数据将从参数管理器中进行加载，并初始化为航点目标。

在SITL仿真中解锁飞机

if (simulation_flag == 1)
{
    //set offboard mode, then arm the vehicle
    if( current_state.mode != "OFFBOARD" &&
        (ros::Time::now() - last_request > ros::Duration(5.0))){
        if( set_mode_client.call(offb_set_mode) &&
            offb_set_mode.response.mode_sent){
            ROS_INFO("Offboard mode enabled");
        }
        last_request = ros::Time::now();
    } else {
        if( !current_state.armed &&
            (ros::Time::now() - last_request > ros::Duration(5.0))){
            if( arming_client.call(arm_cmd) &&
                arm_cmd.response.success){
                ROS_INFO("Vehicle armed");
            }
            last_request = ros::Time::now();
        }
    }
}

实际飞行中，我们只需要解锁飞机、切换到OFFBOARD模式即可开启任务。在SITL仿真中，我们需使用mavros/cmd/arming服务来解锁飞机。

（4）发布当前航点

pose = waypoints.at(current_wpindex);
local_pos_pub.publish(pose);

程序将通过mavros主题将当前航点坐标发布到无人机。请注意，该主题必须在OFFBOARD模式下一直发布，否则Pixhawk将启动故障安全机制、关闭OFFBOARD模式。

（5）降落后锁定

if( arming_client.call(disarm_cmd) &&
    arm_cmd.response.success){
    ROS_INFO("Vehicle disarmed");
}

到达最终航点并成功降落后，程序将调用mavros/cmd/arming服务自动对飞机进行锁定。

如何使用

软件在环仿真

软件在环仿真（Software In The Loop）需要和PX4固件一起运行，我们推荐用户使用我们维护的版本https://gitee.com/cloudkernel-tech/Firmware，以确保和飞机软件兼容性。

因为依赖特定的软件环境，软件在环仿真目前只支持在安装ubuntu 18.04的PC电脑中运行，而不能直接在机载电脑中运行。详细设置软件环境的说明可以参考<http://cloudkernel-tech.gitee.io/kerloud_mini/en/ADVANCEDDEV.html>。用户还需要把位于 ~/src/uav_space/catkinws_offboard 的整个offboard_demo软件包迁移到PC中，

假设PX4固件在~/src/Firmware位置，那么基于gazebo的软件在环仿真可以按以下指令启动：

cd ~/src/Firmware
make px4_sitl_default gazebo

然后通过如下指令启动offboard控制飞机：

cd ~/src/uav_space/catkinws_offboard
source devel/setup.bash
roslaunch launch/wpmission_sitl.launch

实际飞行

实际飞行中，需严格按如下顺序操作以避免出现未知异常：

将带有接口的电池可靠安装到飞机，确保飞行中不会脱落；
确保遥控器所有开关均处于初始位置，且油门降到最低；
电池接通上电；
等待GPS锁星：通常可在2-3分钟后听到提示音，且pixhawk主灯变绿；
确保飞机出于正常待机模式，且飞机周围无人；
按下安全按钮（保持1S）预解锁无人机，按钮指示灯将变为双闪；
机载电脑启动需等待几分钟，通过本地wifi网络进行登录，确认路径~/src/uav_space/catkinws_offboard/src/offboard_demo/launch/waypoints_xyzy.yaml下的航行任务，运行如下指令启动offboard控制模块：
# set read/write privilege for the USB-ttl port sudo chmod a+rw /dev/ttyPixhawk cd ~/src/uav_space/catkinws_offboard source devel/setup.bash roslaunch launch/wpmission.launch
同时拉低油门、右推偏航摇杆解锁无人机，解锁成功将听到一次长音提示；
使用指定的摇杆（如通道7）切换到OFFBOARD模式，然后无人机将自动开始航点飞行任务。恭喜飞行成功！

Hint

机载电脑也可以在启动期间自动执行offboard任务，用户可将工程目录下的 startup.sh作为参考模板。