基于ROS和Gazebo的Hector四旋翼仿真

摘要：本項目重點研究依賴于開源機器人操作系統(tǒng)ROS平臺，在3D動態(tài)模擬器軟件Gazebo中，通過鍵盤或Xbox360控制模擬UAV Hector Quadrotor從而實現(xiàn)四旋翼室內與室外的仿真飛行。

關鍵詞：ROS; Gazebo;Hector;Quadrotor

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）08-0259-02

新手在練習四旋翼飛行器控制飛行時，經常會因技術不夠熟練而出現(xiàn)炸機的現(xiàn)象，損壞飛行器硬件造成不必要的損失。通過采用實時仿真的形式，降低練習時的損耗。本項目重點研究hector_quadrotor飛行器自主導航，避障和路徑規(guī)劃。軟件依賴于機器人操作系統(tǒng)（ROS）軟件。ROS提供硬件抽象，設備驅動，庫，可視化工具，消息傳遞，包管理等。Gazebo提供精確和高效地模擬復雜室內和室外環(huán)境中飛行器的能力[1]。

在ROS環(huán)境下，無人機的仿真有三種實現(xiàn)方式，一種是mav-ros配合sitl的仿真，其次是hector_quadrotor ros package，第三種是ETH新出的一個gazebo環(huán)境仿真包。在上述三種方式中，sitl的設置比較煩瑣，無人機的控制主要通過指令實現(xiàn)。hec-tor_quadrotor開發(fā)比較完善，不僅可以使用xbox作為飛機的遙控器，而且還可以使用鍵盤對無人機進行控制。rotorS是新出的包，里邊給}H了幾種商用的飛機模型，控制指令是ros meassage[2]。本文重點介紹Hector Quadrotor四旋翼控制模擬的實現(xiàn)方法。

Hector Quadrotor是用于ROS Gazebo環(huán)境中的模擬四旋翼UAV ，Hector Quadrotor綜合功能包里包含了UAV的URDF描述建模、飛行控制以及在Gazebo中運行四旋翼飛行器仿真的啟動文件等。

Hector Quadrotor有兩個仿真應用場景，分別為室內和室外，本文以此分為兩部分闡述在Gazebo中模擬Hector四旋翼飛行器。

1 準備工作

仿真之前需要安裝Hector Quadrotor功能包，以安裝Hector Quadroter的ROS Indigo版本，執(zhí)行命令

$ sudo apt-get update

$sudo apt-get install ros-indigo-hector-quadrotor-demo

大量的ROS功能包被下載并且安裝，hector_quadrotor_demo就是下載的主要hector_quadrotor包。其中包與四旋翼無人機系統(tǒng)建模，控制及仿真相關的包。Hector_quadrotor_description提供了通用的四旋翼URDF模型以及各種各樣的傳感器。Hector_quadrotor_gazebo包含了在Gazebo中運行四旋翼模型所需要的launch file以及依賴信息。Hector_quadrotor_teleop包含一個允許使用gamepad控制旋翼的節(jié)點。Hector_quadrotor_gazebo_plugins提供在Gazebo仿真環(huán)境中進行四旋翼仿真的所需的特定的plugins。[3]

2 在Gazebo中啟動Hector四旋翼飛行器

在仿真之前，首先在終端窗口執(zhí)行$ roscore命令啟動ros-master。

2.1 室外飛行Hector

室外飛行的軟件已經包含在Hector_quadrotor中，鍵入以下命令啟動室外仿真：

$ roslaunch hector_quadrotor_demo outdoor_flight_gazebo.launch

命令執(zhí)行完成后，會在Gazebo中加載一個滾動景觀環(huán)境，并生成一個Hector Quadrotor模型。同時啟動一個rvIz節(jié)點，為四旋翼飛行器戶外飛行配置。大量的飛行坐標和控制參數信息也會初始化并加載給Parameter Server。Quadrotor_propulsion插件的四旋翼推理模型參數和quadrotor_aerodvnamics插件的阻力模型參數會顯示出來。然后出現(xiàn)physics dynamic reconfig-ure ready。

2.2 室內飛行Hector

在hector_quadrotor綜合功能包里包含四旋翼飛行器室內的SLAM例程軟件，鍵入以下命令啟動仿真：

$ roslaunch hector_quadrotor_demo indoor_slam_gazebo.launch

仿真啟動之后，將在rviz和Gazebo中顯示Willow Garage辦公室，Hector開始位于室內房間的地板上。此時通過執(zhí)行hec-tor_quadrotor_teleop xbox_controller.launch控制Hector的飛行。

3 控制Hector四旋翼的飛行

在Gazeboo中啟動HectorQuadrotor后，四旋翼飛行器出現(xiàn)在模擬場景的地面上，準備起飛。在它的主電機座上有一個紅色標記指示了它的前進方向。要實現(xiàn)對Hec-tor Quadrotor的控制飛行，可以通過Xbox 360控制器或者計算機的鍵盤。

3.1 Xbox360控制四旋翼飛行

要將仿真四旋翼飛行器飛行起來，必須啟動Xbox 360控制器的操縱桿控制器軟件。打開另一個終端窗口，通過hec-tor_quadrotor_teleop功能包中的啟動文件來啟動操縱桿控制器：

$ roslaunch hector_quadrotor_teleop xbox_controller.launch

這個過程會啟動一個j oy_node節(jié)點，用來處理Xbox 360控制器上左操縱桿和右操縱桿的操作輸入。此節(jié)點發(fā)布的消息包含操縱桿軸和按鈕的當前狀態(tài)。而quadrotor_teleop節(jié)點會訂閱這些信息，然后在主題cmd_vel上發(fā)布提供了四旋翼飛行器飛行的速度和方向的消息。用操縱桿控制飛行器在模擬的戶外環(huán)境飛行。飛行員的視圖可以在rviz屏幕左下角的攝像頭圖像視圖中看到。

3.2 鍵盤控制四旋翼飛行

執(zhí)行命令git clone https：//github.com/ros-teleop/teleop_twist_keyboardT載ROS Python包，放在建立的工作空間并編譯。使用命令

$ rosrun teleop_twist_keyboardteleop_twist_keyboard.py運行該節(jié)點。注意首先按t建讓飛機飛起來才能進行其他控制，否則現(xiàn)象是控制鍵飛機沒有反應。鼠標指針必須位于teleop_twist_keyboard終端窗口，否則鍵盤無法控制模擬四旋翼飛行。

3.3 rqt_graph工具查看節(jié)點和主題之間的交互關系

在終端窗口執(zhí)行命令$ros run rqt_graph rqt_graph，rqLgrph工具中顯示活動節(jié)點和主題之間的交互關系。圖中橢圓形框表示當前活動的節(jié)點，矩形框表示主題，節(jié)點發(fā)布消息到主題用箭頭指向表示。

4 結論

在實踐環(huán)節(jié)中引入Hector四旋翼仿真，從室內和室外兩類不同環(huán)境下模擬四旋翼飛行器的飛行。極大限度降低了初學者對四旋翼硬件耗材的依賴，降低了新手訓練時的經濟成本。

參考文獻：

[1] Wil Selby.ros integration[EB/OL].https：//www.wilselby.com/re-search/ros-integration/，2017.

[2] Carol Fairchild and Thomas L.Harman.《ROS /robotics By Ex-ample》[M]。Making a Robot Fly[C].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

【通聯(lián)編輯：光文玲】

基金項目：大學生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)實踐項目（項目編號：201911050032T）

作者簡介：滕步煒（1974-），男，計算機網絡控制工程碩士，副教授，主要研究方向為計算機技術領域的教學與科研工作。