从0入门自主空中机器人-5-Airsim-PX4仿真环境搭建

MGodmonkey2024-06-112024-10-23

AirSim项目地址：https://github.com/microsoft/AirSim
AirSim官方教程：Home - AirSim (microsoft.github.io)
CSDN参考教程: AirSim学习（1）安装Unreal Engine和AirSim
视频教程：
【AirSim】我有自己的无人机啦 - bilibili
Chris Lovett的讲解在自己的Windows上实现AirSim仿真 - 知乎 (zhihu.com)

1.AirSim-Windows环境配置

注：Windows环境需要自行安装VS2022或以上版本，Unreal Engine >= 4.27（推荐4.27），以及wsl2（在Windows上运行Airsim，在wsl或者vm虚拟机上通过ros控制无人机）
安装虚拟引擎
1.【下载并安装EPIC】，虽然虚幻引擎是开源和免费下载的，但仍然需要注册
2.运行Epic Games Launcher，打开左侧窗格中的 “虚幻引擎” 选项卡。单击右上角的 “安装” 按钮，该按钮应显示下载 UE> = 4.27（推荐4.27） 的选项。选择安装位置以满足您的需求，如下图所示。如果您安装了多个版本的Unreal，请单击该版本的启动按钮旁边的向下箭头，以确保将您使用的版本设置为 “当前”。
Note: 如果您有UE 4.16或更旧的项目，请参阅 [升级指南](https:// microsoft.github.io/AirSim/unreal_upgrade/) 来升级您的项目。
安装VS2022
1.Visual Studio2022安装教程 (qq.com)。确保选择安装时勾选了C ++桌面开发 和**Windows 10 SDK 10.0.19041（如果是Windows11还需要选择Windows11的SDK）**进行桌面开发 (默认情况下应选择)，然后选择最新的。NET Framework SDK下的 “单个组件” 选项卡，同时安装VS 2022。
Windows安装wsl2
参考这个教程安装（ubuntu版本选择20最好）：Windows 11 安装 WSL2 - 知乎

1.1Build Airsim

下载源码到本地

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git clone https://github.com/microsoft/AirSim.git
# 国内网络环境不好时选择下面
git clone https://github.moeyy.xyz/https://github.com/microsoft/AirSim.git

安装依赖项并编译
1. 【下载并安装Cmake】，安装时记得勾选添加到环境中
2. 安装Cmake完后重启电脑以生效环境，打开Developer Command Prompt for VS 2022，在Windows搜索中搜索然后使用管理员打开，cd AirSim记得cd进入Airsim所在的目录
3. 输入.\build.cmd进行编译Airsim，如果在下面的过程中卡壳了，Ctrl+C终止编译，然后重新编译，直到下载完成并正常编译完成

使用VS2022编译打开
1. 使用Developer Command Prompt for VS 2022进入AirSim\Unreal\Environments\Blocks，执行.\update_from_git.bat
2. 双击打开Blocks.sln，会自动启动VS2022
3. 右键Block设为为启动项目
4. 编译器选择DebugGame Editor，然后启动本地Windows调试器，编译完成自动打开虚幻引擎
5. 点击运行，点击**‘是’选择仿真车，点击’否’**选择仿真无人机，当出现下面的画面则表示环境搭建成功

1.2自定义场景

创建一个自定义的虚拟场景，并通过Airsim加载

打开Epic -> 点击虚幻商城 -> 搜索环境类型的素材（推荐免费：搜索"Assetsville Town或City Park" -> 筛选结果选择免费 -> 添加致购物车进行购买）-> 点击上方的库，选择刚才购买的City Park创建工程，选定路径
导入完成后双击打开该工程
注：如果加载过程中黑屏或者卡住可以重启Unreal Engine，如果实在打开太卡或太慢可以选择上面购买City Park第二个那个轻量版地图
关闭工程，将AirSim\Unreal\Plugins文件夹复制到刚才的工程目录下，然后双击CityParkEnvironmentMini.uproject，弹出Rebuild窗口，点击是
重新编译完成后，右下角弹出更新插件，点击管理插件即可看到AirSim插件添加到工程中，然后点击功能栏的设置 -> 世界场景设置 -> 游戏模式重载选择AirSimGameMode

点击运行，如果出现弹窗，选择是启动车辆仿真，否启动无人机仿真，按F1查看帮助

修改配置文件，前往C:\User\{你的用户名}\Documents\AirSim\Settings.json,文件配置项参考https://microsoft.github.io/AirSim/settings/，以下是推荐的配置文件，需要搭配第二部分的设置使用，其中LocalHostIp为Windows本机的IP地址，通过cmd指令输入ipconfig进行查看，一般为192.168.1.x，或者其他，你可以通过WSL或者VM虚拟机ping一下看看通不通

{
    "SettingsVersion": 1.2,
    "SimMode": "Multirotor",
    "ClockType": "SteppableClock",
    "Vehicles": {
        "PX4": {
            "VehicleType": "PX4Multirotor",
            "UseSerial": false,
            "LockStep": true,
            "UseTcp": true,
            "TcpPort": 4560,
            "ControlIp": "remote",
            "ControlPortLocal": 14540,
            "ControlPortRemote": 14580,
            "LocalHostIp": "192.168.1.116",
            "Sensors":{
                "Barometer":{
                    "SensorType": 1,
                    "Enabled": true,
                    "PressureFactorSigma": 0.0001825
                },
                "Imu": {
                    "SensorType": 2,
                    "Enabled" : true,
                    "AngularRandomWalk": 0.3,
                    "GyroBiasStabilityTau": 500,
                    "GyroBiasStability": 4.6,
                    "VelocityRandomWalk": 0.24,
                    "AccelBiasStabilityTau": 800,
                    "AccelBiasStability": 36
                },
                "Gps": {
                    "SensorType": 3,
                    "Enabled" : true,
                    "EphTimeConstant": 0.9,
                    "EpvTimeConstant": 0.9,
                    "EphInitial": 25,
                    "EpvInitial": 25,
                    "EphFinal": 0.1,
                    "EpvFinal": 0.1,
                    "EphMin3d": 3,
                    "EphMin2d": 4,
                    "UpdateLatency": 0.2,
                    "UpdateFrequency": 50,
                    "StartupDelay": 1
                },
                "Distance": {
                    "SensorType": 5,
                    "Enabled" : true,
                    "MinDistance": 0.2,
                    "MaxDistance": 40,
                    "X": 0, "Y": 0, "Z": -1,
                    "Yaw": 0, "Pitch": 0, "Roll": 0,
                    "DrawDebugPoints": false
                }
            },
            "Parameters": {
                "NAV_RCL_ACT": 0,
                "NAV_DLL_ACT": 0,
                "COM_OBL_ACT": 1,
                "LPE_LAT": 47.641468,
                "LPE_LON": -122.140165
            }
        }
    }
}

2. WSL2或者VM虚拟机环境配置

注：WSL或VM虚拟机需要如下环境
ubuntu系统
gcc>=8：gcc -v sudo apt install gcc
ROS1或者ROS2：安装参考ROS 资源汇总
PX4仿真：安装参考从0入门自主空中机器人-4-【PX4与Gazebo入门】
QGC以及一些常见的软件：安装参考从0入门自主空中机器人-3-【环境与常用软件安装】

复制一份AirSim工程目录到WSL或VM虚拟机

# Ubuntu18
sudo apt-get install ros-melodic-tf2-sensor-msgs ros-melodic-tf2-geometry-msgs ros-melodic-mavros*
# Ubuntu20
sudo apt-get install ros-noetic-tf2-sensor-msgs ros-noetic-tf2-geometry-msgs ros-noetic-mavros*
# 初试化AirSim
cd AirSim
sudo bash ./setup.sh
sudo bash ./build.sh

编译ROS包

# ROS1
cd AirSim/ros
catkin_make
# ROS2
cd AirSim/ros2
colcon build

配置~/.bashrc环境

# ip地址为运行airsim的Windows的ip
echo "export PX4_SIM_HOST_ADDR=192.168.1.116" >> ~/.bashrc
# 记得查看一下自己的路径对不对
echo "source ~/Airsim/ros/devel/setup.sh" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

开放防火墙（如果没有装防火墙就不需要这一步了）
1
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sudo ufw allow 4560
sudo ufuw allow 10049

在Window中启动AirSim（记得修改配置文件后重新启动），窗口显示等待TCP连接

在WSL或者VM虚拟机中启动PX4仿真和ROS&rivz

1 2	cd ~/PX4-Autopilot make px4_sitl_default none_iris

出现下面的提示则说明PX4与AirSim连接成功

PX4 SIM HOST: 192.168.1.117
INFO  [simulator] Simulator using TCP on remote host 192.168.1.117 port 4560
WARN  [simulator] Please ensure port 4560 is not blocked by a firewall.
INFO  [simulator] Waiting for simulator to accept connection on TCP port 4560
INFO  [simulator] Simulator connected on TCP port 4560.
INFO  [commander] LED: open /dev/led0 failed (22)
INFO  [init] Mixer: etc/mixers/quad_w.main.mix on /dev/pwm_output0
INFO  [init] setting PWM_AUX_OUT none
INFO  [mavlink] mode: Normal, data rate: 4000000 B/s on udp port 18570 remote port 14550
INFO  [mavlink] mode: Onboard, data rate: 4000000 B/s on udp port 14580 remote port 14540
INFO  [mavlink] mode: Onboard, data rate: 4000 B/s on udp port 14280 remote port 14030
INFO  [mavlink] mode: Gimbal, data rate: 400000 B/s on udp port 13030 remote port 13280
INFO  [logger] logger started (mode=all)
INFO  [logger] Start file log (type: full)
INFO  [logger] [logger] ./log/2024-06-12/08_20_41.ulg	
INFO  [logger] Opened full log file: ./log/2024-06-12/08_20_41.ulg
INFO  [mavlink] MAVLink only on localhost (set param MAV_{i}_BROADCAST = 1 to enable network)
INFO  [mavlink] MAVLink only on localhost (set param MAV_{i}_BROADCAST = 1 to enable network)
INFO  [px4] Startup script returned successfully
pxh> INFO  [tone_alarm] home set
INFO  [tone_alarm] notify negative

启动ROS&rivz

1 2	roslaunch airsim_ros_pkgs airsim_node.launch output:=screen host:=$PX4_SIM_HOST_ADDR roslaunch airsim_ros_pkgs rviz.launch

通过rostopic list查看有没有一下主题即可说明是否连接正常

laohanba@ubuntu:~/Airsim$ rostopic list
/airsim_node/PX4/altimeter/Barometer
/airsim_node/PX4/distance/Distance
/airsim_node/PX4/environment
/airsim_node/PX4/global_gps
/airsim_node/PX4/gps/Gps
/airsim_node/PX4/imu/Imu
/airsim_node/PX4/magnetometer/magnetometer
/airsim_node/PX4/odom_local_ned
/airsim_node/PX4/vel_cmd_body_frame
/airsim_node/PX4/vel_cmd_world_frame
/airsim_node/gimbal_angle_euler_cmd
/airsim_node/gimbal_angle_quat_cmd
/airsim_node/origin_geo_point
/rosout
/rosout_agg
/tf
/tf_static

各个话题和订阅者功能如下：
Publishers:#
/airsim_node/origin_geo_point airsim_ros_pkgs/GPSYaw 与全球 NED 框架相对应的 GPS 坐标。这将在 airsim 的 settings.json 文件中的 OriginGeopoint 键下进行设置
/airsim_node/VEHICLE_NAME/global_gps sensor_msgs/NavSatFix 这是无人机在 airsim 中的当前 GPS 坐标
/airsim_node/VEHICLE_NAME/odom_local_ned nav_msgs/Odometry NED 框架（默认名称：oddom_local_ned，发射名称和框架类型可配置）中与起飞点的测距。
/airsim_node/VEHICLE_NAME/CAMERA_NAME/IMAGE_TYPE/camera_info sensor_msgs/CameraInfo
/airsim_node/VEHICLE_NAME/CAMERA_NAME/IMAGE_TYPE sensor_msgs/Image RGB 或浮点图像，取决于 settings.json 中要求的图像类型。
/tf tf2_msgs/TFMessage
/airsim_node/VEHICLE_NAME/altimeter/SENSOR_NAME airsim_ros_pkgs/Altimeter 这是高度计当前的高度、压力和温度读数 QNH
/airsim_node/VEHICLE_NAME/imu/SENSOR_NAME sensor_msgs::Imu IMU 传感器数据
/airsim_node/VEHICLE_NAME/magnetometer/SENSOR_NAME sensor_msgs::MagneticField 测量磁场矢量/罗盘
/airsim_node/VEHICLE_NAME/distance/SENSOR_NAME sensor_msgs::Range 测量与活动者的距离，如红外线或红外信号
/airsim_node/VEHICLE_NAME/lidar/SENSOR_NAME sensor_msgs::PointCloud2 激光雷达点云
Subscribers:#
/airsim_node/vel_cmd_body_frame airsim_ros_pkgs/VelCmd 忽略 vehicle_name 字段，将其留空。今后我们将对多架无人机使用 vehicle_name 字段
/airsim_node/vel_cmd_world_frame airsim_ros_pkgs/VelCmd 忽略 vehicle_name 字段，将其留空。今后我们将对多架无人机使用 vehicle_name 字段
/gimbal_angle_euler_cmd airsim_ros_pkgs/GimbalAngleEulerCmd 以欧拉角为单位的万向节设定点
/gimbal_angle_quat_cmd airsim_ros_pkgs/GimbalAngleQuatCmd 以四元数表示的万向节设定点
/airsim_node/VEHICLE_NAME/car_cmd airsim_ros_pkgs/CarControls 油门、刹车、转向和档位选择控制。可控制自动和手动变速箱，使用方法请参见 car_joy.py 脚本
Services:#
/airsim_node/VEHICLE_NAME/land airsim_ros_pkgs/Takeoff
/airsim_node/takeoff airsim_ros_pkgs/Takeoff
/airsim_node/reset airsim_ros_pkgs/Reset 重置所有无人机
Parameters:#
/airsim_node/world_frame_id [string] Set in: $(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch 默认值：world_ned 设置为 "world_enu "可自动切换到 ENU 框架
/airsim_node/odom_frame_id [string] Set in: $(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch 默认值： odom_local_ned 如果将 world_frame_id 设置为 “world_enu”，则默认 odom 名称将改为 “odom_local_enu”
/airsim_node/coordinate_system_enu [boolean] Set in: $(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch 默认值：false 如果将 world_frame_id 设置为 “world_enu”，该设置将默认为 true
/airsim_node/update_airsim_control_every_n_sec [double] Set in: $(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch 默认值：0.01 秒。计时器回调频率，用于从 airsim 更新无人机 Odom 和状态，以及发送控制命令。当前 RPClib 与虚幻引擎的接口最大频率为 50 赫兹。ROS 中的定时器回调以最大速率运行，因此最好不要触及此参数
/airsim_node/update_airsim_img_response_every_n_sec [double] Set in: $(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch 默认值：0.01 秒。从 airsim 中所有摄像机接收图像的定时器回调频率。速度取决于请求图像的数量和分辨率。ROS 中的定时回调以最大可能的速度运行，因此最好不要触及此参数
/airsim_node/publish_clock [double] Set in: $(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch 默认值：false 设置为 true 时，将发布 ros /clock 主题