1. 为什么要在Ubuntu 20.04上折腾ROS1与PX4这套组合如果你刚拿到一台装了Ubuntu 20.04的机器想跑无人机仿真、做二次开发或者单纯想把PX4飞控的代码从编译到起飞全流程走一遍那ROS1加PX4加MAVROS这套组合基本是绕不开的起点。我前后在虚拟机、双系统、物理机上装过不下十遍踩过的坑从依赖冲突到环境变量污染从Gazebo黑屏到MAVROS连不上几乎每一类问题都遇到过。这篇内容就是把这些经验整理出来给准备入坑或者正在坑里的朋友一份可以直接抄的作业。先说清楚这套环境到底能干什么。PX4是飞控固件负责底层姿态控制、传感器融合、电机输出ROS1是机器人操作系统负责上层任务调度、感知、规划MAVROS是两者之间的翻译官把PX4的uORB消息转成ROS话题反过来也一样。三者打通之后你可以在ROS里写一个节点发一个目标位置PX4就能控制无人机飞过去。这就是无人机二次开发最核心的链路。适合谁来参考如果你已经装好了Ubuntu 20.04会基本的终端操作知道cd、ls、sudo是什么意思那就可以直接往下看。如果你连Ubuntu都还没装建议先搞定系统安装再回来折腾这套环境。另外这套流程在虚拟机里也能跑但Gazebo仿真对显卡有要求虚拟机里可能会卡物理机体验会好很多。我选择Ubuntu 20.04而不是22.04原因很直接ROS1 Noetic的官方支持到20.04为止22.04原生只支持ROS2。虽然22.04也能通过一些手段装ROS1但依赖问题会多很多。PX4这边对20.04的支持也最成熟社区里大部分教程和问题解答都是基于这个版本。所以如果你不是非要用新系统20.04是最省心的选择。2. 系统准备与基础环境配置2.1 安装Ubuntu 20.04的几种方式和选择建议装系统这一步我试过三种方式VMware虚拟机、双系统、纯物理机。虚拟机最安全不影响原有系统适合先试水双系统性能好但分区操作有风险纯物理机最省事但需要一台专门的机器。如果你只是学习仿真VMware虚拟机足够了分配4核CPU、8G内存、50G硬盘跑Gazebo基本流畅。如果你要做硬件在环或者实际飞行建议物理机。安装的时候有个细节要注意语言选英文不要选中文。中文环境下很多路径会变成中文后面编译PX4的时候容易出问题。时区选上海键盘布局默认就行。分区的时候如果是虚拟机直接自动分区如果是双系统建议给/至少50G/home单独分swap给8G左右。装完之后第一件事是换源。默认的源在国内下载速度很慢换成清华或者阿里的镜像源后面装ROS和PX4依赖会快很多。命令如下sudo cp /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak sudo sed -i s/archive.ubuntu.com/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/g /etc/apt/sources.list sudo sed -i s/security.ubuntu.com/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/g /etc/apt/sources.list sudo apt update sudo apt upgrade换源之后更新一下系统确保所有包都是最新的。这一步可能要几分钟取决于网速。2.2 中文输入法和常用工具的安装虽然前面说系统语言选英文但中文输入法还是要装的不然写注释或者查资料的时候很麻烦。我习惯用搜狗输入法安装步骤如下sudo apt install fcitx fcitx-config-gtk fcitx-googlepinyin然后在系统设置里把输入法框架切换成fcitx重启之后在fcitx配置里添加Google拼音。搜狗输入法也可以但需要去官网下载deb包安装后还要处理依赖问题稍微麻烦一点。如果你不想折腾Google拼音够用了。另外几个常用工具建议一起装上terminator多窗口终端、git、curl、wget、vim、htop。这些在后面编译和调试的时候都会用到。sudo apt install terminator git curl wget vim htop net-tools注意如果你在虚拟机里建议装一下VMware Tools或者open-vm-tools这样剪贴板共享和文件拖拽会方便很多。命令是sudo apt install open-vm-tools-desktop。2.3 环境变量配置的坑与正确做法环境变量是这套环境里最容易出问题的地方。ROS、PX4、MAVROS都有自己的环境变量脚本如果顺序不对或者重复source会导致各种奇怪的错误。我的做法是把所有环境变量配置都写进~/.bashrc但要注意顺序。ROS的环境变量要在PX4之前sourceMAVROS的要在ROS之后。具体来说~/.bashrc里应该有这样的顺序source /opt/ros/noetic/setup.bash source ~/catkin_ws/devel/setup.bash source ~/PX4-Autopilot/Tools/setup_gazebo.bash ~/PX4-Autopilot ~/PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default export ROS_PACKAGE_PATH$ROS_PACKAGE_PATH:~/PX4-Autopilot export ROS_PACKAGE_PATH$ROS_PACKAGE_PATH:~/PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo这里有个细节setup_gazebo.bash这个脚本在PX4 1.14之后的版本里路径可能变了有些版本是Tools/simulation/gazebo-classic/setup_gazebo.bash。如果你source的时候提示文件不存在先去Tools目录下找一下实际路径。提示每次修改~/.bashrc之后记得source ~/.bashrc或者重新开一个终端。如果改错了导致终端打不开可以用CtrlAltF3进入tty用vim改回来。3. ROS1 Noetic的安装与验证3.1 添加ROS源和密钥的完整流程ROS1 Noetic在Ubuntu 20.04上的安装不算复杂但网络问题经常导致失败。我建议按下面的步骤来每一步都确认成功再继续。首先添加ROS的软件源和密钥sudo sh -c echo deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list sudo apt install curl curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc | sudo apt-key add - sudo apt update如果curl那一步卡住或者报错说明网络有问题可以换成国内的ROS镜像源。比如清华的源sudo sh -c . /etc/lsb-release echo deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu/ lsb_release -cs main /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list密钥那一步如果失败可以手动下载ros.asc文件然后sudo apt-key add ros.asc。总之这一步的目标是让sudo apt update不报错。3.2 安装ROS桌面完整版和依赖源配置好之后安装ROS桌面完整版sudo apt install ros-noetic-desktop-full这个包比较大下载加安装可能要十几分钟。装完之后初始化rosdepsudo rosdep init rosdep updaterosdep init如果报错说文件已存在说明之前装过可以跳过。rosdep update如果超时可以多试几次或者配置一下rosdep的源。然后安装一些常用的ROS包和编译工具sudo apt install python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential最后在~/.bashrc里source ROS的环境echo source /opt/ros/noetic/setup.bash ~/.bashrc source ~/.bashrc验证安装是否成功开一个终端运行roscore如果看到started core service [/rosout]就说明ROS装好了。再开一个终端运行rosrun turtlesim turtlesim_node如果弹出一个小乌龟的窗口说明ROS桌面版也正常。3.3 创建catkin工作空间和MAVROS的安装MAVROS是ROS和PX4之间的桥梁必须装在catkin工作空间里。先创建空间mkdir -p ~/catkin_ws/src cd ~/catkin_ws catkin_make source devel/setup.bash然后安装MAVROSsudo apt install ros-noetic-mavros ros-noetic-mavros-extras装完之后还要安装GeographicLib的数据集否则MAVROS启动时会报错wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh sudo bash ./install_geographiclib_datasets.sh这个脚本会下载一些地理数据如果网络不好可能会失败多试几次或者手动下载。注意MAVROS的版本要和ROS版本对应Noetic对应的是ros-noetic-mavros。如果你用的是其他ROS版本包名要相应调整。4. PX4源码编译与仿真环境搭建4.1 克隆PX4源码和子模块更新PX4的源码在GitHub上国内克隆速度可能很慢。我一般先用git clone如果太慢就换成Gitee的镜像。命令如下cd ~ git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --recursive--recursive会同时克隆子模块这一步很关键因为PX4依赖很多子模块。如果克隆过程中断了可以进入目录后运行cd PX4-Autopilot git submodule update --init --recursive如果你想要特定版本比如1.14.3可以先git tag看一下有哪些标签然后git checkout v1.14.3。不过新手建议直接用master分支社区支持最好。4.2 安装PX4编译依赖和工具链PX4提供了一个脚本来自动安装依赖cd ~/PX4-Autopilot bash ./Tools/setup/ubuntu.sh这个脚本会安装gcc-arm-none-eabi、cmake、python3依赖等。运行完之后建议重启一下确保所有环境变量生效。如果脚本执行过程中报错常见的原因是网络问题或者apt锁被占用。可以等一会儿再试或者手动安装缺失的包。比如cmake版本不够可以sudo apt install cmake cmake --versionUbuntu 20.04自带的cmake是3.16PX4要求3.10以上所以够用。如果提示gcc-arm-none-eabi安装失败可以单独装sudo apt install gcc-arm-none-eabi4.3 编译PX4固件和启动Gazebo仿真依赖装好之后编译PX4的SITL版本cd ~/PX4-Autopilot make px4_sitl_default gazebo第一次编译会比较久大概十几分钟到半小时取决于机器性能。编译成功后会启动Gazebo里面有一架四旋翼模型。这时候你可以在PX4的终端里输入commander takeoff无人机就会起飞。如果Gazebo启动黑屏或者报错常见原因是显卡驱动问题。虚拟机里可以试试export LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE1用软件渲染。物理机的话确保装了正确的NVIDIA或者AMD驱动。提示编译的时候如果报错说某个子模块缺失运行git submodule update --init --recursive补上。如果报错说Python包缺失用pip3 install装上。5. MAVROS与PX4的联调与验证5.1 启动MAVROS并连接PX4仿真PX4仿真启动后MAVROS可以通过UDP连接。先启动PX4的Gazebo仿真cd ~/PX4-Autopilot make px4_sitl_default gazebo然后在另一个终端启动MAVROSroslaunch mavros px4.launch fcu_url:udp://:14540127.0.0.1:14557如果连接成功你会看到MAVROS输出一些状态信息比如FCU: PX4。这时候可以用rostopic list看一下有哪些话题应该能看到/mavros/state、/mavros/local_position/pose等。验证连接是否正常rostopic echo /mavros/state如果看到connected: true说明MAVROS和PX4已经通了。5.2 用ROS话题控制无人机起飞和移动连接成功之后可以通过ROS话题发送指令。比如解锁电机rosservice call /mavros/cmd/arming value: true然后切换到OFFBOARD模式rosservice call /mavros/set_mode custom_mode: OFFBOARD接着发布位置指令rostopic pub /mavros/setpoint_position/local geometry_msgs/PoseStamped header: seq: 0 stamp: secs: 0 nsecs: 0 frame_id: pose: position: x: 0.0 y: 0.0 z: 2.0 orientation: x: 0.0 y: 0.0 z: 0.0 w: 1.0 -r 20这个指令会让无人机飞到2米高度。注意-r 20是发布频率OFFBOARD模式要求至少2Hz20Hz比较稳。5.3 常见连接失败的原因和排查方法MAVROS连不上PX4是最常见的问题我遇到过几次原因各不相同。最常见的是端口不对。PX4默认的UDP端口是14540MAVROS的fcu_url要写成udp://:14540127.0.0.1:14557。如果你改了PX4的启动参数端口可能不一样。第二个原因是PX4还没完全启动。Gazebo启动后要等几秒钟PX4的终端里出现INFO [commander] Ready for takeoff!之后再启动MAVROS。第三个原因是环境变量没source。确保~/.bashrc里source了ROS和PX4的环境并且新开的终端都生效了。如果还是连不上可以检查一下防火墙sudo ufw status如果防火墙开着临时关掉试试sudo ufw disable。6. 实操中踩过的坑和独家避坑技巧6.1 环境变量污染导致的编译失败我遇到过最头疼的问题是环境变量污染。有一次我在~/.bashrc里同时source了ROS和PX4的环境结果编译PX4的时候报错说找不到某个ROS的库。原因是PX4的编译系统检测到了ROS的环境变量误以为要编译ROS相关的模块。解决办法是编译PX4的时候开一个干净的终端不source ROS的环境。或者用env -i bash启动一个干净的环境。具体来说env -i HOME$HOME DISPLAY$DISPLAY PATH/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin bash然后在这个终端里编译PX4。这样虽然麻烦一点但能避免很多奇怪的问题。6.2 Gazebo模型下载慢和黑屏问题Gazebo第一次启动时会下载很多模型国内下载很慢有时候会卡住。解决办法是提前下载模型库git clone https://github.com/osrf/gazebo_models.git ~/.gazebo/models如果GitHub太慢可以找国内的镜像。另外Gazebo黑屏通常是显卡问题。虚拟机里可以试试export LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE1然后重新启动Gazebo。物理机的话确保装了正确的显卡驱动。NVIDIA显卡可以装nvidia-driver-470或者更新的版本。6.3 MAVROS时间同步和消息频率问题MAVROS连接PX4之后有时候会报时间同步的警告。这是因为PX4和ROS的时间源不一致。可以在MAVROS的launch文件里加上param nametime_sync valuetrue/或者忽略这个警告一般不影响使用。另一个问题是消息频率。OFFBOARD模式要求位置指令至少2Hz如果发布频率太低无人机会自动退出OFFBOARD模式。我一般用20Hz比较稳。如果你用Python写节点可以用rospy.Rate(20)来控制频率。提示如果你在仿真里测试建议把/mavros/setpoint_position/local的发布频率设成20Hz以上并且持续发布不要停。一旦停止发布无人机可能会掉高或者退出OFFBOARD。6.4 虚拟机性能优化和USB设备直通如果你在虚拟机里跑这套环境性能优化很重要。首先给虚拟机分配足够的资源4核CPU、8G内存、50G硬盘。其次关闭虚拟机的3D加速有时候反而更稳定。如果要用真实的飞控硬件需要把USB设备直通给虚拟机。VMware里可以在虚拟机设置里添加USB控制器然后把飞控插上选择连接到虚拟机。不过说实话虚拟机里跑仿真可以做硬件在环或者实际飞行还是建议物理机。USB直通有时候不稳定飞控会掉线。7. 后续扩展和二次开发方向7.1 用Python写一个简单的Offboard控制节点环境搭好之后下一步就是写自己的控制节点。我一般用Python因为开发快。下面是一个最简单的Offboard控制节点让无人机起飞到2米然后悬停import rospy from geometry_msgs.msg import PoseStamped from mavros_msgs.msg import State from mavros_msgs.srv import CommandBool, SetMode current_state State() def state_cb(msg): global current_state current_state msg rospy.init_node(offboard_node, anonymousTrue) state_sub rospy.Subscriber(/mavros/state, State, state_cb) local_pos_pub rospy.Publisher(/mavros/setpoint_position/local, PoseStamped, queue_size10) arming_client rospy.ServiceProxy(/mavros/cmd/arming, CommandBool) set_mode_client rospy.ServiceProxy(/mavros/set_mode, SetMode) pose PoseStamped() pose.pose.position.x 0 pose.pose.position.y 0 pose.pose.position.z 2 rate rospy.Rate(20) for i in range(100): local_pos_pub.publish(pose) rate.sleep() rospy.wait_for_service(/mavros/cmd/arming) rospy.wait_for_service(/mavros/set_mode) last_request rospy.Time.now() while not rospy.is_shutdown(): if current_state.mode ! OFFBOARD and (rospy.Time.now() - last_request rospy.Duration(5.0)): set_mode_client(custom_modeOFFBOARD) last_request rospy.Time.now() else: if not current_state.armed and (rospy.Time.now() - last_request rospy.Duration(5.0)): arming_client(True) last_request rospy.Time.now() local_pos_pub.publish(pose) rate.sleep()这个节点先发布100次位置指令然后切换OFFBOARD模式并解锁。注意要先启动PX4仿真和MAVROS再运行这个节点。7.2 接入自己的控制算法和传感器数据环境跑通之后你可以接入自己的控制算法。比如用卡尔曼滤波做状态估计或者用PID做位置控制。PX4本身有EKF2做状态估计但如果你想用自己的算法可以通过MAVROS订阅/mavros/local_position/pose和/mavros/imu/data然后发布/mavros/setpoint_position/local或者/mavros/setpoint_raw/attitude。如果你要做视觉导航可以接入摄像头用ROS的image_transport订阅图像跑SLAM或者光流算法然后把位置估计发给PX4。这部分内容比较多后面可以单独写一篇。7.3 从仿真到实飞的过渡注意事项仿真跑通之后下一步就是实飞。实飞之前有几个事情必须确认第一飞控的固件版本和仿真一致第二遥控器已经校准并且设置了失控保护第三GPS和罗盘已经校准第四飞行场地开阔没有干扰。实飞的时候先用遥控器手动飞一下确认姿态控制正常。然后切换到Position模式测试定点悬停。最后再测试OFFBOARD模式。OFFBOARD模式下如果ROS节点挂了飞控会自动切换到Position模式所以不用担心失控。注意实飞有风险第一次飞建议在空旷场地并且有经验的人在场。不要一上来就测试OFFBOARD先用遥控器飞几个起落确认飞机状态正常。8. 一些实用脚本和配置备份8.1 一键启动仿真和MAVROS的脚本每次开终端手动敲命令太麻烦我写了一个脚本start_sim.sh#!/bin/bash cd ~/PX4-Autopilot make px4_sitl_default gazebo sleep 10 cd ~/catkin_ws source devel/setup.bash roslaunch mavros px4.launch fcu_url:udp://:14540127.0.0.1:14557 wait保存后chmod x start_sim.sh以后直接运行这个脚本就行。注意sleep 10是等PX4启动如果你的机器慢可以改成15秒。8.2 环境变量备份和恢复环境变量改多了容易乱我习惯把~/.bashrc备份一份cp ~/.bashrc ~/.bashrc.bak如果改坏了直接cp ~/.bashrc.bak ~/.bashrc恢复。另外可以把ROS和PX4的环境变量单独写在一个文件里比如~/.ros_px4_env然后在~/.bashrc里source这个文件。这样管理起来更清晰。8.3 常用调试命令速查表命令作用rostopic list列出所有ROS话题rostopic echo /mavros/state查看MAVROS连接状态rosservice call /mavros/cmd/arming value: true解锁电机rosservice call /mavros/set_mode custom_mode: OFFBOARD切换OFFBOARD模式rosrun rqt_graph rqt_graph查看节点和话题关系图gz topic -l列出Gazebo话题make px4_sitl_default gazebo编译并启动PX4仿真这些命令我几乎每天都会用到建议收藏。9. 个人经验总结和最后几句这套环境我从第一次装到现在前后折腾了大概两周中间重装过三次系统。最大的体会是环境变量一定要干净不要什么都往~/.bashrc里塞。另外PX4的版本更新很快不同版本的目录结构可能不一样遇到问题先看官方文档和GitHub issue大部分问题都有人遇到过。如果你在虚拟机里跑建议给足资源不然Gazebo会很卡。如果要做实飞一定要先仿真验证不要直接上真机。最后ROS1虽然现在逐渐被ROS2取代但PX4的ROS1生态还是很成熟短期内不会过时。先把这套跑通后面转ROS2也会容易很多。我在实际使用中发现MAVROS的px4.launch文件里有很多参数可以调比如fcu_url、gcs_url、target_system等。如果你有多架无人机可以通过修改这些参数来区分。另外PX4的日志文件在~/PX4-Autopilot/build/px4_sitl_default/rootfs/log下面分析飞行数据的时候很有用。最后再分享一个小技巧如果你在编译PX4的时候遇到ccache相关的错误可以sudo apt install ccache然后make clean再重新编译。ccache可以加速重复编译省很多时间。