集群无人机仿真及控制系统搭建简介

操作系统：

• ROS 是用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构。它包含了大量工具软件、库代码和约定协议，旨在简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度与复杂度。
• ROS 采用了分布式的框架，便于模块化的修改和定制，提高了系统的容错能力。ROS 目前只支持在 Linux 系统上安装部署它的首选开发平台是 Ubuntu，选择的 Ubuntu 平台是 Ubuntu 16.04，ROS 平台是 Kinetic。

ROS系统框架：

ROS文件系统级：

• 与操作系统类似，ROS 的文件也是以一种特定的形式组织，主要包括功能包、功能包集、功能包的 manifest 文件、消息和服务描述文件
  等。

ROS图像系统级

• 计算图级：它主要阐述了 ROS 是如何进行通信和计算的。计算图级概念包括节点管理器（Master）、ROS 节点（Node）、参数服务器（Parameterserver）、话题（Topics）、消息（Message）、服务（Service）和消息记录（Bags）。 ROS 节点除了所示的两种通讯机制，还可通过 Actionlib 功能包实现客户端（Client）与服务器端（Server）的另一种通讯方式增加了数据反馈回传功能，可降低等待时间并增强了应用实时性。
  

飞控固件:

PX4主要构成

PX4 是目前最流行的开源飞控之一，其软件系统通常意义上可以分三层结构，包括驱动/系统、中间件、应用程序/飞行控制栈，PX4 的飞行控制栈有如下几部分组成
1 . 决策导航部分
2. 位置姿态估计部分
3. 位姿态控制部分
4. 控制器输出部分

PX4固定翼控制算法：

PX4 固定翼的位置控制主要涉及到两个控制算法：L1 控制和总能量控制
(Total Energy Control System, TECS)

• L1 算法主要是为了得到飞机需要偏转的滚转角和偏航角。
• TECS 算法是为了得到期望的油门和俯仰角。
• 通过这两个算法，最终得到了期望的油门、俯仰角、滚转角和偏航角，然后内环的姿态控制就交给姿态控制器。

PX4与集群无人机:

• 基于多无人机集群编队控制算法的原理，PX4 姿态控制算法是需要关注的焦点。PX4 的姿态控制算法有俯仰角控制、滚转角控制、偏航角控制三部分组成，

3D动态仿真

• 为了完成多无人机集群编队控制算法的 SITL，除了需要 PX4 和 ROS 外，还需要用到 Gazebo 仿真器和 QGroundControl 地面站。

Gazebo 3D动态仿真器

• Gazebo是一款和ROS 绑定的 3D 动态模拟器，能够准确有效地模拟机器人。首先，无论是对于 ROS 而言，还是对于 Gazebo 而言，仿真最重要的就是要看到构建的机器人，看到它的关键文件就是 urdf 文件，该文件的主要功能就是描述机器人各个部分与关节的属性。ROS 和 Gazebo 之间的桥梁 gazebo plugins 使 ROS 能够控制 Gazebo 中的机器人。

飞控地面站

QGroundControl 地面站

• QGroundControl 地面站专用于 PX4 开源无人机飞控系统，为无人机提供飞行控制以及任务规划等，支持多个平台运行例如 Windows、Linux、iOS 和 Android，提供地图功能，可以在软件上直接查看地面站的信息，相比同行软件能更好地接收数据，可以更好地查看无人机传输的内容，可以在地图上显示当前飞行的速度，可以控制飞行路线，支持每次飞行后保存遥测日志，将飞行数据自动保存。

信息交互：

MAVROS:

• 使用 ROS、PX4、Gazebo 和 QGroundControl 等进行多无人机集群编队控制算法的 SITL，还需要一个 ROS 的工具包 MAVROS，来使这些软件进行信息交互。通过 MAVROS 的服务’/cmd/arming’、’/set_mode’、’/cmd/takeoff’等，
• 可以完成对仿真器中的 PX4 无人机完成解锁、设置模式、起飞等动作。通过MAVROS 的‘/local_position/odom’、’/mavros/setpoint_raw/attitude’等得到无人机的状态和给无人机发送控制指令等。