无人机PX4飞控ROS应用层开发：MAVROS 功能包介绍与飞控消息汇总(一)

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作者
猴君
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无人机PX4飞控ROS应用层开发：MAVROS 功能包介绍与飞控消息汇总（一）

概述

这个软件包提供了针对各种自动驾驶仪(如PX4,Ardupilot)使用 MAVLink 通信协议的通信驱动程序。
此外，它还提供了用于地面控制站（例如 QGroundControl）的 UDP MAVLink 桥接功能。

通常与PX4的offboard模式联合使用
Offboard控制背后的想法是能够使用在自动驾驶仪外运行的软件来控制 PX4 飞控， 这是通过 Mavlink 协议完成的。

其中硬件部分连接模式大部分如下：
在飞行器上部署一台小型将计算机，用 UART 转 USB 适配器连接飞控
在这里插入图片描述
ROS (机器人操作系统) 是一个通用的机器人库，可以用于为 PX4 自动驾驶仪创建强大的无人机应用程序。

MAVROS安装

MAVROS可以通过源码或者二进制安装。

二进制安装

通过下面指令进行二进制安装

sudo apt-get install ros-${ROS_DISTRO}-mavros ros-${ROS_DISTRO}-mavros-extras ros-${ROS_DISTRO}-mavros-msgs

其中ROS_DISTRO 需要根据ROS的本部换成 kinetic、noetic

然后需要安装 GeographicLib ，通过如下指令
先下载 文件 install_geographiclib_datasets.sh

wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh

执行这个文件

./install_geographiclib_datasets.sh

从飞控端通过MAVROS可以拿到的信息

通过在gazebo中启动 px4 ，并启动mavros ，来测试
通过MAVROS可以从飞控端获取的信息

在gazebo中启动px4

roslaunch px4 posix_sitl.launch

启动mavros指令

roslaunch mavros px4.launch fcu_url:="udp://:14540@127.0.0.1:14557"

高度信息（mavros/altitude）

话题名称： mavros/altitude

频率 ：10HZ

消息类型：mavros_msgs/Altitude

消息体定义：

std_msgs/Header header   float32 monotonic float32 amsl       float32 local float32 relative float32 terrain float32 bottom_clearance

解释

  • amsl （above mean sea level）平均海平面以上
  • local 本地坐标系下的
  • relative 相对地面的（应该加上对地测距才会有）

实例数据

gazebo中无人机在地面

header:
seq: 752
stamp:
secs: 78
nsecs: 528000000
frame_id: “map”
monotonic: 488.1638488769531
amsl: 488.08782958984375
local: 0.1731969118118286
relative: -0.0031573623418807983
terrain: nan
bottom_clearance: nan

通过QGC 让其起飞
QGC显示高度为9.3m

在这里插入图片描述

header:
seq: 11002
stamp:
secs: 1103
nsecs: 528000000
frame_id: “map”
monotonic: 497.4364929199219
amsl: 497.36468505859375
local: 9.450032234191895
relative: 9.288766860961914
terrain: nan
bottom_clearance: nan

在这里插入图片描述

电池信息（mavros/battery）

话题名称：mavros/battery

频率: 0.5hz

消息类型：sensor_msgs/BatteryState

消息体定义

std_msgs/Header header float32 voltage float32 current float32 charge float32 capacity float32 design_capacity float32 percentage uint8 power_supply_status uint8 power_supply_health uint8 power_supply_technology bool present float32[] cell_voltage string location string serial_number

解释：

  • voltage 电压
  • current 电流

gazebo中无人机 话题实例

header:
seq: 704
stamp:
secs: 1400
nsecs: 528000000
frame_id: ‘’
voltage: 15.30000114440918
temperature: 0.0
current: 1.0
charge: nan
capacity: nan
design_capacity: nan
percentage: 0.6599999666213989
power_supply_status: 2
power_supply_health: 0
power_supply_technology: 3
present: True
cell_voltage: [15.30000114440918]
cell_temperature: []
location: “id0”
serial_number: ‘’

状态估计器状态（/mavros/estimator_status）

话题名称:/mavros/estimator_status

频率：1HZ

消息类型： mavros_msgs/EstimatorStatus

消息体定义：

std_msgs/Header header bool attitude_status_flag bool velocity_horiz_status_flag bool velocity_vert_status_flag bool pos_horiz_rel_status_flag bool pos_horiz_abs_status_flag bool pos_vert_abs_status_flag bool pos_vert_agl_status_flag bool const_pos_mode_status_flag bool pred_pos_horiz_rel_status_flag bool pred_pos_horiz_abs_status_flag bool gps_glitch_status_flag bool accel_error_status_flag

解释：

  • attitude_status_flag 姿态估计器状态
  • velocity_horiz_status_flag 水平速度估计器状态
  • velocity_vert_status_flag 垂直速度估计器状态
  • pos_horiz_rel_status_flag 水平位置（相对）
  • pos_horiz_abs_status_flag 水平位置（绝对）
  • pos_vert_abs_status_flag 垂直位置（绝对）
  • pos_vert_agl_status_flag 垂直位置（相对地面）
  • const_pos_mode_status_flag 如果EKF处于恒定位置模式并且不使用外部测量(例如GPS或光流)，则为True。
  • pred_pos_horiz_rel_status_flag 如果EKF有足够的数据进入将提供(相对)位置估计的模式，则为True
  • pred_pos_horiz_abs_status_flag 如果EKF有足够的数据进入将提供(绝对)位置估计的模式，则为True
  • gps_glitch_status_flag 如果EKF检测到GPS故障，则为True
  • accel_error_status_flag 如果EKF检测到错误的加速度计数据，则为True

gazebo中无人机 话题实例

header:
seq: 2145
stamp:
secs: 2148
nsecs: 524000000
frame_id: ‘’
attitude_status_flag: True
velocity_horiz_status_flag: True
velocity_vert_status_flag: True
pos_horiz_rel_status_flag: True
pos_horiz_abs_status_flag: True
pos_vert_abs_status_flag: True
pos_vert_agl_status_flag: False
const_pos_mode_status_flag: False
pred_pos_horiz_rel_status_flag: True
pred_pos_horiz_abs_status_flag: True
gps_glitch_status_flag: False
accel_error_status_flag: False

着陆状态（mavros/extended_state）

话题名称:/mavros/extended_state

频率：5HZ

消息类型： mavros_msgs/ExtendedState

消息体定义：

uint8 VTOL_STATE_UNDEFINED=0 uint8 VTOL_STATE_TRANSITION_TO_FW=1 uint8 VTOL_STATE_TRANSITION_TO_MC=2 uint8 VTOL_STATE_MC=3 uint8 VTOL_STATE_FW=4 uint8 LANDED_STATE_UNDEFINED=0 uint8 LANDED_STATE_ON_GROUND=1 uint8 LANDED_STATE_IN_AIR=2 uint8 LANDED_STATE_TAKEOFF=3 uint8 LANDED_STATE_LANDING=4 std_msgs/Header header uint8 vtol_state uint8 landed_state

解释:

  • vtol_state 垂起固定翼的状态 多旋翼不关注
  • 着陆状态 0为未定义；1为在地面；2为在空中；3为起飞；4位正在降落

gazebo中实例（无人机飞在9.2m）

header:
seq: 15936
stamp:
secs: 3190
nsecs: 528000000
frame_id: ‘’
vtol_state: 0
landed_state: 2

指南针航向角角度（mavros/global_position/compass_hdg）

话题名称:/mavros/global_position/compass_hdg

频率：50HZ

消息类型：std_msgs/Float64

gazebo中消息实例
通过直接旋转模型，可以发现数值发生变化，变化范围0~360

data: 100.63

data: 16.48

世界坐标系位置（/mavros/global_position/global）

话题名称:/mavros/global_position/global

频率：50HZ

消息类型：sensor_msgs/NavSatFix

std_msgs/Header header   uint32 seq   time stamp   string frame_id sensor_msgs/NavSatStatus status   int8 status   uint16 service float64 latitude float64 longitude float64 altitude float64[9] position_covariance uint8 position_covariance_type

解释：

  • status：sensor_msgs/NavSatStatus 类型的数据，包含 GPS 信号的质量信息。类型如下
int8 STATUS_NO_FIX =  -1        # unable to fix position 不能定位 int8 STATUS_FIX =      0        # unaugmented fix        未增强的定位 int8 STATUS_SBAS_FIX = 1        # with satellite-based augmentation　 int8 STATUS_GBAS_FIX = 2        # with ground-based augmentation
  • service：用了那种卫星信息
uint16 SERVICE_GPS =     1      # GPS导航系统 uint16 SERVICE_GLONASS = 2      # GLONASS导航系统 uint16 SERVICE_COMPASS = 4      # includes BeiDou. uint16 SERVICE_GALILEO = 8      # 伽利略导航系统
  • latitude：以度为单位的浮点数，表示纬度。
  • longitude：以度为单位的浮点数，表示经度。
  • altitude：以米为单位的浮点数，表示相对于海平面的高度。
  • position_covariance：以协方差矩阵表示的位置不确定性。是一个长度为9的一维数组，按照 [covariance_xx, covariance_yy, covariance_zz, covariance_xy, covariance_xz, covariance_yz, covariance_roll, covariance_pitch, covariance_yaw] 的顺序排列。(协方差的开平方是数据波动的范围)
  • position_covariance_type：表示 position_covariance 中协方差的类型。 类型如下
uint8 COVARIANCE_TYPE_UNKNOWN=0 			# 未知类型。表示协方差的具体类型未知，可能是由于某些原因无法确定 uint8 COVARIANCE_TYPE_APPROXIMATED=1		# 协方差未知。表示协方差矩阵中的元素值未知，即不提供具体的协方差信息 uint8 COVARIANCE_TYPE_DIAGONAL_KNOWN=2      # 对角协方差已知。表示协方差矩阵是对角矩阵，对角线上的元素已知，而非对角线上的元素未知。这种情况下，只有位置坐标之间的不确定性（方差）已知，协方差矩阵的其他元素未提供 uint8 COVARIANCE_TYPE_KNOWN=3				# 完全协方差已知。表示协方差矩阵的所有元素都已知，包括位置坐标之间的不确定性和它们之间的协方差。这种情况下，提供了协方差矩阵的所有元素

gazebo中消息实例

header:
seq: 65
stamp:
secs: 5935
nsecs: 852000000
frame_id: “base_link”
status:
status: 0
service: 1
latitude: 47.3977412
longitude: 8.5455928
altitude: 535.2749169098639
position_covariance: [1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0]
position_covariance_type: 2

本地坐标系位姿（/mavros/global_position/local）

话题名称:/mavros/global_position/local

频率：50HZ

消息类型：nav_msgs/Odometry

原消息体定义

std_msgs/Header header string child_frame_id geometry_msgs/PoseWithCovariance pose geometry_msgs/TwistWithCovariance twist

解释：

  • pose 位置与姿态与协方差
  • twist 线速度与角速度 与 协方差

gazebo中消息实例

header:
seq: 333735
stamp:
secs: 6680
nsecs: 492000000
frame_id: “map”
child_frame_id: “base_link”
pose:
pose:
position:
x: -2.0383938369578134
y: -1.4676804439870572
z: -2.918
orientation:
x: -0.0031129252366190966
y: 0.005099263730816597
z: 0.5929551081780201
w: 0.8052133175543716
covariance: [1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 99999.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 99999.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 99999.0]
twist:
twist:
linear:
x: 0.02
y: 0.02
z: -0.01
angular:
x: 0.0
y: 0.0
z: 0.0
covariance: [-1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0]

世界坐标系位置原始定位信息（/mavros/global_position/raw/fix）

话题名称:/mavros/global_position/raw/fix

频率：2.5HZ

消息类型：sensor_msgs/NavSatFix

消息定义上面有提到

gazebo中消息实例

header:
seq: 21054
stamp:
secs: 7923
nsecs: 184000000
frame_id: “base_link”
status:
status: 0
service: 1
latitude: 47.3977413
longitude: 8.5455928
altitude: 535.3319169567044
position_covariance: [1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0]
position_covariance_type: 2

gps速度信息（/mavros/global_position/raw/gps_vel）

话题名称:/mavros/global_position/raw/gps_vel

频率：2.5HZ

消息类型：geometry_msgs/TwistStamped

std_msgs/Header header geometry_msgs/Twist twist

twist 包含角速度与线速度
gazebo中消息实例

header:
seq: 21606
stamp:
secs: 8130
nsecs: 980000000
frame_id: “map”
twist:
linear:
x: -0.0
y: -0.0
z: 0.0
angular:
x: 0.0
y: 0.0
z: 0.0

世界坐标系定位使用卫星数量（/mavros/global_position/raw/satellites）

话题名称:/mavros/global_position/raw/satellites

频率：2.5HZ

消息类型：std_msgs/UInt32

gazebo中消息实例

data: 10

与QGC中卫星数量一致
在这里插入图片描述

世界坐标系位置相对高度（/mavros/global_position/rel_alt）

话题名称:/mavros/global_position/rel_alt

频率：50HZ

消息类型：std_msgs/Float64

gazebo中消息实例

data: 6.33

与QGC中一致
在这里插入图片描述

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