PX4的GAZEBO仿真模型扩展
在我们接触飞控的过程中，可能会有许多有意思的想法，想去扩展一些其它设备，但是重新拼凑一架飞机和扩展可能会比较贵，而且在调试和验证的过程中极有可能炸机。
PX4的设计者为我们提供了许多仿真方法来做我们自己喜欢的验证，其中就包括非常活跃的gazebo仿真平台。其实纵观PX4的代码，我们会发现它的特别，PX4并不是传统的STM32嵌入式程序，而是在NUTTX系统的基础上进行应用级程序的开发。NUTTX系统支持Posix编程标准接口，这种接口的兼容，使得PX4程序可以被编译成在NUTTX操作系统下运行的程序，并打包成固件烧写到Pixhawk当中运行；也可以被编译成在Linux操作系统下运行的程序，并在Linux系统下运行，进而提供进行仿真的条件。
针对ROS的仿真，我接下来的说法都是ROS1，参考官网的介绍有两处，网址如下：https://docs.px4.io/master/en/simulation/ros_interface.html、
https://docs.px4.io/master/en/simulation/gazebo.html。
本文我们一起关注一下，px4的gazebo仿真启动过程，以及在gazebo里进行无人机仿真时如何去嵌入其它的sdf模型，扩展仿真无人机的功能。
我们先看看启动仿真的几个launch文件
我所使用的PX4版本是1.11.3，环境搭建之类我就不说了，这里我们主要看一下，启动仿真的过程中我们具体干了一些什么。
在源码目录下文件PX4-Autopilot/launch/posix_sitl.launch，这个文件一般在我们运行make px4_sitl_default gazebo后自动运行，我们看一下它的内容。
我所使用的PX4版本是1.11.3，环境搭建之类我就不说了，这里我们主要看一下，启动仿真的过程中我们具体干了一些什么。
在源码目录下文件PX4-Autopilot/launch/posix_sitl.launch，这个文件一般在我们运行make px4_sitl_default gazebo后自动运行，我们看一下它的内容。
与我们平时启动机器人仿真的内容差不多，运行px4仿真程序、打开gazebo并加载world环境、加载仿真的model模型。
可以看到核心就是运行了px4这个可执行文件，也就是我前面提到的被编译成在Linux操作系统下运行的程序，而它的底层驱动明显是针对对应的gazebo插件写的，具体可以去研究一下CMAKE里加入了哪些编译。
这个文件里面主要的几个点：
1.
<node name="sitl" pkg="px4" type="px4" output="screen" …… >
第一个参数是node名字，随意；第二个是包名，对应PX4-Autopilot/ ；第三个是可执行文件名，对应PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default/bin/px4 。
2.
<env name="PX4_SIM_MODEL" value="$(arg vehicle)" />
<env name="PX4_ESTIMATOR" value="$(arg est)" />
<env/>标签 是环境变量设置，这两个环境变量是要传递到/PX4-Autopilot/ROMFS/px4fmu_common/init.d-posix/rcS，也就是飞控启动脚本中的。
3.
<arg name="sdf" default="$(find mavlink_sitl_gazebo)/models/$(arg vehicle)/$(arg vehicle).sdf"/>
<env name="PX4_SIM_MODEL" value="$(arg vehicle)" />
这两个应该被分开设置，前者与加载的模型有关，后者是对环境变量是设置。
PX4_SIM_MODEL 可以是 iris、rover、boat等等，具体可以看https://docs.px4.io/master/en/simulation/gazebo_vehicles.html
此时我们可以通过QGC连接到仿真，也可以通过 rostopic list可以看到话题：
这些都是gazebo的仿真话题，我们并没有看到关于飞控状态和控制的话题或者服务，还需要启动一个文件，roslaunch mavros px4.launch fcu_url:="udp://:14540@127.0.0.1:14557" ，这个时候可操作的东西就丰富起来了。
具体信息参照网址http://wiki.ros.org/mavros
这个时候我们可以订阅到飞控的许多信息话题和充足的控制接口。
对与这两个启动文件我自己是比较喜欢各自开一个终端运行的，方便看打印信息。
整理了一下，我自己整理的启动文件如下：
关于PX4 对gazebo仿真模型的扩展支持
通过mavros接口我们可以实现对飞机重要信息的读取和控制。但是如果我需要一个摄像头、或者其它的额外的传感器呢？
首先想到的当然是PX4所提供的“装备库”了。在源码目录PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo/models/下有：
这些model模型里面，iris、solo、rover、r1_rover、typhoon_h480、uuv_hippocampus等等类似这样子的模型值得我们注意，前面说到运行了px4这个可执行文件，在我认为，这个可执行文件就是“面向”这几个模型编程的。当然，这几个模型不建议去动它，除非我们有信心去修改好PX4针对此模型的gazebo插件的代码。
我们要做的是在这几个模型上做扩展、改动，我这里以 iris为例子。在launch文件里将sdf模型的参数改为
<arg name="sdf" default="$(find mavlink_sitl_gazebo)/models/iris/iris.sdf"/>
如图，飞机就来了，可以通过mavros去控制飞机、读取飞机信息这个就不再谈了。
现在我需要一个摄像头，比如双目摄像头，如何去得到一个上面载着双面摄像头的飞机呢？这个其实PX4已经有了，比较有借鉴意义，我们把launch文件里将sdf模型的参数改为
<arg name="sdf" default="$(find mavlink_sitl_gazebo)/models/iris_stereo_camera/iris_stereo_camera.sdf"/>
效果：
可以看到飞机上多了一个小模型，也多了一些双目摄像头的话题。
通过rviz也可以看到左右视图。
我认为这是一个很好的例子，我们来看一下源码目录下文件
/PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo/models/iris_stereo_camera/iris_stereo_camera.sdf
利用<include>标签载入模型、<joint>标签连接模型，当然每个模型都有自己的物理参数需要设置好，具体需要去看<include>标签后的模型文件。
书写自己的扩展应用
PX4提供了很多扩展的模型，包括各种摄像头、激光雷达，但是不一定满足所有需求，有时候我们需要自己去折腾。
gazebo提供的一些模型文件在：http://models.gazebosim.org/，也可以在github上下载：https://github.com/osrf/gazebo_models
通过gazebo去编辑一个sdf模型的例子看网址：http://gazebosim.org/tutorials?tut=model_editor&cat=model_editor_top
通过标签文件去编写一个sdf模型的例子看网址：http://gazebosim.org/tutorials?tut=build_robot&cat=build_robot
关于sdf文件一些重要标签说明与使用看网址：http://sdformat.org/spec
gazebo提供的一些插件：http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_gzplugins
如何书写自己的插件：http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_plugins&cat=connect_ros
肖坤老师的XTDrone项目 ：https://github.com/robin-shaun/XTDrone
阿木实验室的普罗米修斯项目：https://github.com/amov-lab/Prometheus
在开源飞控系统的推动下，无人机开发的系统结构和功能都在不断完善，同时仿真条件也在不断扩展，借助活跃的开发论坛社区，在PX4与ROS的基础上，我们的探索工具会更加丰富，探索的想法也会更加的大胆精彩。每一个无人机爱好者都在提供参考经验和新的研究问题，在前人的积累上，我们一起让有更多应用场景的无人机从仿真走到实物、从实验室进入到人们生活。
本文由西湖大学智能无人系统实验室访问学生刘金健原创
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