CERLAB无人机自主框架：环境搭建

CERLAB UAV Autonomy Framework

描述：欢迎来到CERLAB无人机自主框架，这是一个用于自主无人飞行器 (UAV) 的多功能模块化框架。该框架包括不同的组件 (模拟器，感知，映射，规划和控制)，以实现自主导航，未知探索和目标检查。

视频演示: YouTube, BiliBili

1.模块介绍

autonomous_flight: 集成了用于各种任务的所有其他模块的自主飞行包。详细信息
global_planner: 自主机器人的全球航点规划器库。详细信息
map_manager: 自主机器人的3D映射库。详细信息
onboard_detector: 自主机器人的动态障碍物检测和跟踪算法。详细信息
remote_control: Rviz配置和启动文件，便于可视化。详细信息
time_optimizer: 自主机器人的最优轨迹时间分配库。详细信息
tracking_controller: 自主机器人的轨迹跟踪控制器。详细信息
trajectory_planner: 自主机器人的轨迹规划库。详细信息
uav_simulator: 基于轻型Gazebo/ROS的无人机模拟器。详细信息

2.安装指引

该工程已经在带有ROS Melodic的Ubuntu 18.04和带有ROS Noetic的Ubuntu 20.04上进行了测试，它取决于ROS包: octomap，mavros和vision_msgs。使用以下命令安装软件包:

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# step1: 安装依赖
sudo apt install ros-${ROS_DISTRO}-octomap* && sudo apt install ros-${ROS_DISTRO}-mavros* && sudo apt install ros-${ROS_DISTRO}-vision-msgs
cd /opt/ros/noetic/lib/mavros
sudo ./install_geographiclib_datasets.sh

# step 2: 克隆工程到工作空间
cd ~/catkin_ws/src
git clone --recursive https://github.com/Zhefan-Xu/CERLAB-UAV-Autonomy.git

# 可选: 切换到autonomous_flight的模拟分支
# 默认分支用于实际飞行和PX4模拟
cd ~/catkin_ws/src/CERLAB-UAV-Autonomy/autonomous_flight
git checkout simulation

# step 3: 编译
cd ~/catkin_ws
catkin_make
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
# 一定一定一定要source下面这条啊！！！血的教训，控制不了就是因为没有source这个
source ~/catkin_ws/src/CERLAB-UAV-Autonomy/uav_simulator/gazeboSetup.bash

3.PX4仿真&实飞

该CERLAB无人机框架自带两个仿真模拟器，autonomous_flight和PX4仿真，如果需要切换autonomous_flight仿真，则需要通过上面的方式切换分支

自主起飞选项：

  • Takeoff/Hovering: 起飞和悬停在指定高度。
  • Takeoff/Tracking Circle: 起飞和跟踪具有给定半径和速度的圆形轨迹。
  • Navigation: 静态环境中的自主导航。
  • Dynamic Navigation: 动态环境中的自主导航。
  • Inspection (Octomap): 使用Octomap的自主表面检查。
  • Inspection (Dynamic Map): 使用动态地图进行自主表面检查。
  • Dynamic Exploration: 未知和动态环境中的自主探索。

3.1安装PX4仿真环境

环境安装参考：从0入门自主空中机器人-4-【PX4与Gazebo入门】 | MGodmonkeyの世界

注：

如果通过修改.bashrc来更新环境变量，请确保PX4环境路径在source ~/catkin_ws/devel/setup.bash下面，否则将会报错

3.2运行Demo

首先启动无人机模拟器，您应该能够在预定义的gazebo中看到四轴飞行器。

该项目中有两种仿真器，一个是PX4仿真，即控制通过PX4固件控制，一个是自定义控制仿真，默认克隆下来代码的是PX4仿真分支

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# 启动PX4仿真
roslaunch uav_simulator px4_start.launch

若首次启动gazebo仿真黑屏很久，则是加载模型过久，可以提前下载模型到本地

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cd ~/.gazebo/
mkdir -p ~/.gazebo/models # 如果models目录存在，则不需要创建
cd ~/.gazebo/models/

# 下载模型并解压
wget http://file.ncnynl.com/ros/gazebo_models.txt
wget -i gazebo_models.txt
ls model.tar.g* | xargs -n1 tar xzvf

a. 简单起飞和悬停 Takeoff/Hovering:

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rosrun autonomous_flight takeoff_and_hover_node  # takeoff at 1.0 meter height

b. 起飞和跟踪一圈 Takeoff/Tracking Circle:

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roslaunch autonomous_flight takeoff_and_track_circle.launch  # takeoff and tracking a circular trajectory

c. 静态环境导航 Navigation:

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roslaunch remote_control navigation_rviz.launch 
roslaunch autonomous_flight navigation.launch # 新建一个窗口来运行这个

d. 动态环境导航 Dynamic Navigation:

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roslaunch remote_control dynamic_navigation_rviz.launch   
roslaunch autonomous_flight dynamic_navigation.launch # 新建一个窗口来运行这个

e. 使用octomap进行静态环境检查 Inspection (Octomap):

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roslaunch octomap_server octomap_mapping.launch # 请牢记为 ros 主题/转换修改参数
roslaunch autonomous_flight inspection.launch

f. 使用动态地图进行动态环境检查 Inspection (Dynamic Map):

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roslaunch autonomous_flight dynamic_inspection.launch    # autonomous surface inspection

g. 未知和动态环境探索 Dynamic Exploration:

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roslaunch remote_control exploration_rviz.launch  
roslaunch autonomous_flight dynamic_exploration.launch # 新建一个窗口来运行这个

注：

PX4仿真下无法控制的情况下

  • 启动仿真，打开QGC地面站，在参数中搜索COM_RCL_EXCEPT

  • 将COM_RCL_EXCEPT参数改为4并保存

3.3参数调整

所有参数都在autonomous_flight/cfg文件夹中。例如，动态导航的参数可以在autonomous_flight/cfg/dynamic_navgation/*.yaml中找到