低空载具 ROS 封装器 airsim_ros_pkgs

该页面展示 AirSim C++ 客户端库上的 ROS 封装。

安装

以下步骤适用于 Linux。如果在 Windows 上运行 AirSim，则可以使用 Windows Subsystem for Linux（WSL）或者虚拟机来运行 ROS 封装，请参阅下面的说明。如果由于某些问题，您无法或不喜欢在主机 Linux 上安装 ROS 和相关工具，您也可以使用Docker尝试，请参阅为 ROS 封装使用 Docker 中的步骤。

如果默认GCC版本不是8或更高版本（使用GCC--version检查）
- 使用 gcc >= 8.0.0: sudo apt-get install gcc-8 g++-8
- 使用 gcc-8 --version 验证安装
Ubuntu 16.04
- 安装 ROS kinetic
- 安装tf2 sensor 和 mavros 包：sudo apt-get install ros-kinetic-tf2-sensor-msgs ros-kinetic-tf2-geometry-msgs ros-kinetic-mavros*
Ubuntu 18.04
- 安装 ROS melodic
- 安装 tf2 sensor 和 mavros 包: sudo apt-get install ros-melodic-tf2-sensor-msgs ros-melodic-tf2-geometry-msgs ros-melodic-mavros*
Ubuntu 20.04（推荐）
- 安装 ROS noetic
- 安装 tf2 sensor 和 mavros 包: sudo apt-get install ros-noetic-tf2-sensor-msgs ros-noetic-tf2-geometry-msgs ros-noetic-mavros*
安装 catkin_tools sudo apt-get install python-catkin-tools 或 pip install catkin_tools。如果在 Ubuntu 20.04 则使用 pip install "git+https://github.com/catkin/catkin_tools.git#egg=catkin_tools"

构建

构建 AirSim

git clone https://github.com/OpenHUTB/air.git;
cd air;
./setup.sh;
./build.sh;

笔记： 虚拟机中执行build.sh报错：

Could not find compiler set in environment variable CC:
...
Make Error: CMAKE_C_COMPILER not set, after EnableLanguage

原因：找不到编译器。切换为 gcc-9 编译成功。

build.sh 报错：

/home/user/air/external/rpclib/rpclib-2.3.0/include/rpc/dispatcher.h:6:10: fatal error: 'atomic' file not found

解决：clang-10 编译会报这个，切换成 gcc-9 并重新构建

./clean_rebuild.sh

确保已按照上面的安装页面中所述设置ROS的环境变量。为方便起见，将source命令添加到.bashrc中（用特定的版本名替换mediatic）：

# Ubuntu 18.04 melodic
# echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
# Ubuntu 20.04 noetic
echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

构建 ROS 包

cd ros;
catkin_make

问题： catkin_make报错：Unable to find either executable 'empy' or Python module 'em'... try installing the package 'python3-empy'

原因：系统中安装了多个Python版本，确保 CMake 和 Catkin 工作空间使用的是正确的Python

解决：

conda activate nn_3.8
pip install catkin_tools
catkin_make -DPYTHON_EXECUTABLE=/home/user/miniconda3/envs/nn_3.8/bin/python

问题： Could not find a package configuration file provided by "tf2_sensor_msgs"

解决：

sudo apt-get install ros-noetic-tf2-sensor-msgs ros-noetic-tf2-geometry-msgs ros-noetic-mavros*

如果安装ros包报错：

Failed to fetch http://packages.ros.org/ros/ubuntu/pool/main/r/ros-noetic-mavros-msgs

运行：

curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc | sudo apt-key add -
sudo apt update

问题： ModuleNotFoundError: No module named 'em'

解决：

# 注意必须指定版本，否则会报错：AttributeError: module 'em' has no attribute 'RAW_OPT'
pip install empy==3.3.4

如果默认 GCC 不是8或更高（使用GCC--version检查），则编译将失败。在这种情况下，请显式使用gcc-8，如下所示

catkin build -DCMAKE_C_COMPILER=gcc-8 -DCMAKE_CXX_COMPILER=g++-8

运行

启动 ROS 节点

source devel/setup.bash;
# 使用 host 参数在不同机器上运行
# roslaunch airsim_ros_pkgs airsim_node.launch output:=screen host:=172.21.108.47
roslaunch airsim_ros_pkgs airsim_node.launch;

启动可视化工具 rviz

# 新建一个命令行终端
source devel/setup.bash;
roslaunch airsim_ros_pkgs rviz.launch;

显示主题为/airsim_node/SimpleFlight/imu/imu的 IMU 数据（通过rostopic list查看所有话题）：

注意： 如果在运行roslaunch airsim_ros_pkgs airsim_node.launch时出错，请运行catkin clean，然后重试

如果运行 rviz 报错：

(nn_3.8) user@ubuntu:~/air/ros$ roslaunch airsim_ros_pkgs rviz.launch
RLException: [rviz.launch] is neither a launch file in package [airsim_ros_pkgs] nor is [airsim_ros_pkgs] a launch file name
The traceback for the exception was written to the log file

解决：source devel/setup.bash;

使用 AirSim ROS 封装器

ROS 封装器由两个 ROS 节点组成：第一个是 AirSim 多旋翼 C++ 客户端库的封装器，第二个是简单的比例-微分(PD) 位置控制器。让我们看看这 2 个节点的ROS API：

AirSim ROS 封装器节点

发布者：

/airsim_node/origin_geo_point airsim_ros_pkgs/GPSYaw 与全球北东地坐标系 (NED) 坐标系对应的 GPS 坐标。此设置位于 airsim 的 settings.json 文件中，OriginGeopoint 键的值即为该坐标。
/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 相对于起飞点的 NED 坐标系里程计（默认名称：odom_local_ned，发射名称和坐标系类型可配置）。
/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 图像或浮点型图像，具体取决于 settings.json 中请求的图像类型。
/tf tf2_msgs/TFMessage
/airsim_node/VEHICLE_NAME/altimeter/SENSOR_NAME airsim_ros_pkgs/Altimeter 这是当前高度表关于高度、气压和 QNH 的读数。
/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 磁场矢量/罗盘测量
/airsim_node/VEHICLE_NAME/distance/SENSOR_NAME sensor_msgs::Range 测量与主动式测距仪（如红外线或 IR 测距仪）之间的距离
/airsim_node/VEHICLE_NAME/lidar/SENSOR_NAME sensor_msgs::PointCloud2 激光雷达点云

订阅者:

/airsim_node/vel_cmd_body_frame airsim_ros_pkgs/VelCmd 请忽略载具名称（vehicle_name）字段，将其留空。该字段将在未来用于多无人机场景。
/airsim_node/vel_cmd_world_frame airsim_ros_pkgs/VelCmd 请忽略 vehicle_name 字段，将其留空。该字段将在未来用于多无人机场景。
/gimbal_angle_euler_cmd airsim_ros_pkgs/GimbalAngleEulerCmd 以欧拉角表示的云台设定点。
/gimbal_angle_quat_cmd airsim_ros_pkgs/GimbalAngleQuatCmd 以四元数表示的云台设定点。
/airsim_node/VEHICLE_NAME/car_cmd airsim_ros_pkgs/CarControls 用于控制的油门、刹车、转向及档位选择。支持自动挡和手动挡控制模式，具体使用方法请参阅 car_joy.py 脚本。

服务:

/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

参数:

/airsim_node/world_frame_id [string]
- 设置于：$(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch
- 默认值：world_ned
- 设置为 "world_enu" 可自动切换至 ENU 坐标系
/airsim_node/odom_frame_id [string]
- 设置于：$(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch
- 默认值：odom_local_ned
- 如果将 world_frame_id 设置为 "world_enu"，默认的 odom 名称将变为 "odom_local_enu"。
/airsim_node/coordinate_system_enu [boolean]
- 设置于$(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch
- 默认值：false
- 如果将 world_frame_id 设置为 "world_enu"，该设置将默认变为 true。
/airsim_node/update_airsim_control_every_n_sec [double]
- 设置于：$(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch
- 默认值：0.01 秒。
- 这是用于从 AirSim 更新无人机里程计（odom）与状态以及发送控制指令的定时器回调频率。目前 RPClib 与 Unreal Engine 之间的接口上限为 50 Hz。由于 ROS 中的定时器回调会以尽可能高的频率运行，因此最好不要修改此参数。
/airsim_node/update_airsim_img_response_every_n_sec [double]
- 设置于：$(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch
- 默认值：0.01 秒。
- 这是 AirSim 中用于从所有摄像机接收图像的定时器回调频率。实际速率取决于请求的图像数量及其分辨率。由于 ROS 中的定时器回调会以尽可能高的速率运行，因此最好不要修改此参数。
/airsim_node/publish_clock [double]
- 设置于：$(airsim_ros_pkgs)/launch/airsim_node.launch
- 默认值：false
- 如果设置为 true，将发布 ROS 的 /clock 话题。

简单 PID 位置控制器节点

参数:

PD 控制器参数：
/pd_position_node/kd_x [double], /pd_position_node/kp_y [double], /pd_position_node/kp_z [double], /pd_position_node/kp_yaw [double] 比例增益
/pd_position_node/kd_x [double], /pd_position_node/kd_y [double], /pd_position_node/kd_z [double], /pd_position_node/kd_yaw [double] 微分增益
/pd_position_node/reached_thresh_xyz [double] 从当前位置到设定点位置的欧几里得距离阈值（米）
/pd_position_node/reached_yaw_degrees [double] 从当前位置到设定点位置的偏航距离阈值（度）
/pd_position_node/update_control_every_n_sec [double] 默认值：0.01 秒

服务:

/airsim_node/VEHICLE_NAME/gps_goal [请求: srv/SetGPSPosition] 目标 GPS 位置 + 偏航角（绝对高度）。
/airsim_node/VEHICLE_NAME/local_position_goal [请求: srv/SetLocalPosition] 全局 NED 坐标系下的目标局部位置+偏航角。

订阅者:

/airsim_node/origin_geo_point airsim_ros_pkgs/GPSYaw 监听由 airsim_node 发布的归位点（home）地理坐标。
/airsim_node/VEHICLE_NAME/odom_local_ned nav_msgs/Odometry 监听由 airsim_node 发布的里程计数据

发布者:

/vel_cmd_world_frame airsim_ros_pkgs/VelCmd 向 airsim_node 发送速度指令

全局参数

动态约束。这些可以在 dynamic_constraints.launch 中进行修改：
- /max_vel_horz_abs [double] 无人机最大水平速度（米/秒）
- /max_vel_vert_abs [double] 无人机最大垂直速度（米/秒）
- /max_yaw_rate_degree [double] 最大偏航率（度/秒）

杂项

使用 WSL1 或 WSL2 在 Windows10 上设置构架环境

这些安装说明描述了如何设置“Windows上Ubuntu上的Bash”（又名“Linux的Windows子系统”）。

它涉及在Windows10中启用内置的Windows Linux环境（WSL），安装兼容的Linux OS映像，最后安装构建环境，就像它是一个普通的Linux系统一样。

完成后，您将能够像在本机linux机器中一样构建和运行 ROS 封装器。

WSL1 vs WSL2

WSL2 是最新版本的 Windows 10 Linux 子系统。它比 WSL1 快很多倍（如果您使用 /home/... 下的原生文件系统，而不是 /mnt/... 下的 Windows 挂载文件夹），因此就速度而言，它是构建代码的首选。

安装完成后，您可以根据自己的喜好在 WSL1 或 WSL2 版本之间切换。

WSL 设置步骤

请按照此处的说明操作。请确认您要使用的 ROS 版本与您要安装的 Ubuntu 版本兼容。
恭喜，您现在已在 Windows 下拥有一个可运行的 Ubuntu 子系统，您可以前往 Ubuntu 16 / 18 说明，然后了解如何在 Windows 上运行 Airsim 以及在 WSL 上运行 ROS 封装程序！

注意： 您可以通过在 Windows 上安装 VcXsrv 来运行 XWindows 应用程序（包括 SITL）。要使用它，请从 Windows 开始菜单找到并运行 XLaunch。在第一个弹出窗口中选择多窗口(Multiple Windows)，在第二个弹出窗口中选择启动时不启用客户端(Start no client)，在第三个弹出窗口中选择仅启动剪贴板。不要选择原生 OpenGL（如果无法连接，请选择禁用访问控制(Disable access control)）。您需要设置 DISPLAY 变量以指向您的显示器：在 WSL 中，它是 127.0.0.1:0；在 WSL2 中，它是计算机网络端口的 IP 地址，可以使用以下代码进行设置。此外，在 WSL2 中，您可能需要禁用公共网络的防火墙，或者创建一个例外，以便 VcXsrv 可以与 WSL2 通信。

export DISPLAY=$(cat /etc/resolv.conf | grep nameserver | awk '{print $2}'):0

诀窍：
- 如果你将这行添加到你的 ~/.bashrc 文件中，你就不需要再次运行这个命令了。
- 对于代码编辑，您可以在 WSL 中安装 VSCode。
- Windows 10 内置了“Windows Defender”病毒扫描程序。它会显著降低 WSL 的运行速度。禁用它可以大幅提升磁盘性能，但会增加病毒感染的风险，因此请自行承担风险。以下是众多资源/视频之一，向您展示如何禁用它：如何在 Windows 10 上禁用或启用 Windows Defender

WSL 和 Windows 10 之间的文件系统访问

在 WSL 中，Windows 驱动器位于 /mnt 目录中。例如，要列出您的 (<用户名>) 文档文件夹中的文档：

`ls /mnt/c/'Documents and Settings'/<username>/Documents`
or
`ls /mnt/c/Users/<username>/Documents`

在 Windows 系统中，WSL 发行版的文件位于（在 Windows 资源管理器地址栏中输入）：

\\wsl$\<distribution name> 例如 \\wsl$\Ubuntu-18.04

如何在 Windows 上运行 Airsim 以及在 WSL 上运行 ROS 封装程序

对于 WSL 1，请执行以下操作： export WSL_HOST_IP=127.0.0.1 对于 WSL 2： export WSL_HOST_IP=$(cat /etc/resolv.conf | grep nameserver | awk '{print $2}') 现在，就像在 Linux 运行部分一样，执行以下命令：

source devel/setup.bash
roslaunch airsim_ros_pkgs airsim_node.launch output:=screen host:=$WSL_HOST_IP
roslaunch airsim_ros_pkgs rviz.launch

使用 Docker 运行 ROS

tools 目录中包含一个 Dockerfile 文件。要构建 airsim-ros 镜像，请执行以下操作：

cd tools
docker build -t airsim-ros -f Dockerfile-ROS .

要运行程序，请替换以下 AirSim 文件夹的路径：

docker run --rm -it --net=host -v <your-AirSim-folder-path>:/home/testuser/AirSim airsim-ros:latest bash

上述命令会将 AirSim 目录挂载到容器内的主目录中。您在主机上对源文件所做的任何更改都会在容器内生效，这对于开发和测试非常有用。现在，请按照构建步骤编译并运行 ROS 封装程序。