【ROS】MAVROS基础知识和使用

前言

MAVLink是一种轻量级的通信协议，主要用于在无人机和地面站之间进行通信，包含了许多无人机相关的信息和命令，例如无人机的状态、传感器数据、电池电量等等。一些无人机硬件平台如Pixhawk、PX4、ArduPilot等就是使用MAVLink通讯。MAVROS是一个开源的ROS包，用于将ROS和MAVLink协议连接起来，以实现ROS与无人机之间的通信和控制。本贴不定期更新，记录自己MAVROS的学习体会。

一、mavros安装

mavros有两种安装方式：源码安装和二进制安装。

（1）二进制安装

# 1.安装mavros，根据自己的ros版本进行修改
sudo apt-get install ros-noetic-mavros ros-noetic-mavros-extras
# 2.安装GeographicLib依赖库安装
wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
./install_geographiclib_datasets.sh
# 3.测试安装是否成功
# 查看飞控端口
ll /dev/ttyACM*
# 添加权限
sudo chmod 777 /dev/ttyACM0
# 启动节点
roslaunch mavros px4.launch fcu_url:=/dev/ttyACM0:57600

二、mavros坐标系

mavros坐标系是比较混乱的，而且和PX4中FCU（飞行控制单元，所谓的飞控）所常用的坐标系不同。PX4的FCU使用的坐标系为NED（北东地）或者FRD（前右下）坐标系，但是mavros中常用的坐标系是ENU（东北天）或者FLU（前左天），mavros在转换为mavlink发送给FCU时会自动将ENU转换为NED。当然这些我们不需要关心，我们只需要关心使用mavros时需要什么坐标系即可。

（1）坐标系按照功能划分

mavros的话题中常见的坐标系有global坐标系、local坐标系、body坐标系：

• global系好理解，是gps坐标系，经纬度什么的，用的不多；

• local系指当地坐标系，一般是ENU坐标系，坐标原点一般在PX4上电点；

• body坐标系就是指机体坐标系，二进制安装的kinetic版本的mavros，其坐标系是RFU（右前上）坐标系，坐标原点在机体上。之后版本的mavros都统一改为FLU（前左上）坐标系；

（2）坐标系安装朝向划分

• ENU坐标系：东北天坐标系，也叫站心坐标系，mavros中的local坐标系一般采用ENU坐标系，例如话题/mavros/setpoint_position/local；

• NED坐标系：北东地坐标系，也叫导航坐标系，PX4的飞控FCU中采用的就是NED坐标系；

• FLU坐标系：前左上坐标系，即无人机机体body坐标系，以无人机为原点，多用于无人机的速度控制，例如话题/mavros/setpoint_raw/local话题中的速度就是FLU坐标系的；

此外可以通过修改如下指令修改话题的坐标系设置：

roscd mavros
cd launch/
sudo gedit px4_config.yaml

文件里面的map坐标系就是global系和local系，base_link坐标系就是body系。然后mavros的具体各个话题对应的坐标系还要具体查询。

三、常用的话题

（1）/mavros/state

• 订阅/发布：订阅

• 功能：订阅mavros的一些状态数据，如连接状态、是否解锁、当前无人机模式

• 数据类型：mavros_msgs/State

  string MODE_PX4_MANUAL=MANUAL
  string MODE_PX4_ACRO=ACRO
  string MODE_PX4_ALTITUDE=ALTCTL
  string MODE_PX4_POSITION=POSCTL
  string MODE_PX4_OFFBOARD=OFFBOARD
  string MODE_PX4_STABILIZED=STABILIZED
  string MODE_PX4_RATTITUDE=RATTITUDE
  string MODE_PX4_MISSION=AUTO.MISSION
  string MODE_PX4_LOITER=AUTO.LOITER
  string MODE_PX4_RTL=AUTO.RTL
  string MODE_PX4_LAND=AUTO.LAND
  string MODE_PX4_RTGS=AUTO.RTGS
  string MODE_PX4_READY=AUTO.READY
  string MODE_PX4_TAKEOFF=AUTO.TAKEOFF
  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  bool connected
  bool armed
  bool guided
  bool manual_input
  string mode
  uint8 system_status
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <mavros_msgs/State.h>
  // 2.回调函数，接受状态数据
  mavros_msgs::State current_state;
  void state_cb(const mavros_msgs::State::ConstPtr& msg){
        
        
  	current_state = *msg;
  }
  // 3.订阅话题
  ros::Subscriber state_sub = nh.subscribe<mavros_msgs::State>
  	        ("/mavros/state",10,state_cb);
  // 4.获取数据
  // FCU有无连接上，bool
  current_state.connected == true;
  // FCU前飞行状态，string
  current_state.mode == "OFFBOARD";
  // FCU有无解锁，bool
  current_state.armed == true;
  

（2）/mavros/setpoint_position/local

• 订阅/发布：发布

• 功能：发布指点飞行，当前坐标系为local当地坐标系，即以FCU上电为原点的ENU坐标系（东北天）

• 数据类型：geometry_msgs/PoseStamped

  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  geometry_msgs/Pose pose
    geometry_msgs/Point position  //local 坐标系下的位置（xyz），只有 position 成员变量生效
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Quaternion orientation
      float64 x
      float64 y
      float64 z
      float64 w
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp、geometry_msgs
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
  
  // 2.订阅话题
  ros::Publisher local_pose_pub = nh.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>
  			("/mavros/setpoint_position/local",10);
  // 3.创建位置数据变量，ENU坐标系
  geometry_msgs::PoseStamped pose;
  // 位置
  pose.pose.position.x = 0;
  pose.pose.position.y = 0;
  pose.pose.position.z = 1;
  // 姿态
  pose.pose.orientation.w = 1;
  pose.pose.orientation.x = 0;
  pose.pose.orientation.y = 0;
  pose.pose.orientation.z = 0;
  // 4.发布定位话题
  local_pose_pub.publish(pose);
  

• 补充说明：mavros的话题中常见的坐标系有global系、local系、body系。

  global系好理解，是gps坐标系，经纬度什么的，用的不多。

  local系指当地坐标系，指当地的地图或者世界坐标系，一般是ENU坐标系，坐标原点一般在PX4上电的地方。

  body系是指机体上的坐标系，比较混乱，kinetic版本的mavros，则body系是RFU（右前上）坐标系，坐标原点在机体上，在melodic版本及以后版本中，body系已经改成了FLU（前左上）坐标系。（这里前是指机头朝向）

（3）/mavros/local_position/pose

• 订阅/发布：订阅

• 功能：话题内容为当前无人机坐标系在local世界坐标系的位姿，local世界坐标系是以无人机PX4上电点为原点，三轴朝向为东北天（ENU）；无人机坐标系为body坐标系，三轴朝向为前左上；说明一下IMU中的加速度计的大小问题，也就是线加速度，加速度计是考虑除重力外的合力，也就是说当无人机自由落体运动时，Z轴的加速度为0，当无人机静止放置在地面上时，Z轴加速度为+g，因为此时无人机受到地面的支持力，方向竖直向上，大小为g，所以不要因为静止放置的无人机Z轴加速度为+g，就认为Z轴方向朝下（误认为g是重力）

• 数据类型：geometry_msgs/PoseStamped

  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  geometry_msgs/Pose pose
    geometry_msgs/Point position
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Quaternion orientation
      float64 x
      float64 y
      float64 z
      float64 w
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp、geometry_msgs
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
  
  double position[3] = {
        
        0,0,0};
  void pos_cb(const geometry_msgs::PoseStamped::ConstPtr& msg){
        
        
  	position[0] = msg->pose.position.x;
  	position[1] = msg->pose.position.y;
  	position[2] = msg->pose.position.z;
  }
  // 2.订阅话题
  ros::Subscriber pos_sub = nh.subscribe<geometry_msgs::PoseStamped>
  			("/mavros/local_position/pose",10,pos_cb);
  
  

（4）/mavros/local_position/velocity_local

• 订阅/发布：订阅

• 功能：话题内容为当前无人机的三轴速度，包括三轴线速度和三轴角速度，坐标系为local坐标系（以无人机上电点为原点、东北天朝向）

• 数据类型：geometry_msgs/TwistStamped

  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  geometry_msgs/Twist twist
    geometry_msgs/Vector3 linear
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Vector3 angular
      float64 x
      float64 y
      float64 z
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp、geometry_msgs
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <geometry_msgs/TwistStamped.h>
  
  geometry_msgs::TwistStamped vel_msg;
  void vel_cb(const geometry_msgs::TwistStamped::ConstPtr& msg){
        
        
  	vel_msg = *msg;
  }
  // 2.订阅话题
  ros::Subscriber vel_sub = nh.subscribe<geometry_msgs::TwistStamped>
  			("/mavros/local_position/velocity_local",10,vel_cb);
  // 3.打印话题内容
  std::cout << vel_msg.twist.linear.x << std::endl;
  std::cout << vel_msg.twist.linear.y << std::endl;
  std::cout << vel_msg.twist.linear.z << std::endl;
  

（5）/mavros/imu/data(_raw)

• 订阅/发布：订阅

• 功能：话题内容为IMU九轴的数据（XYZ加速度、XYZ角速度、XYZ姿态角），data_raw为原始数据，data为滤波后的数据（有px4自行生成的四元数数据）。IMU坐标系为前左上body坐标系。

• 数据类型：sensor_msgs/Imu

  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  geometry_msgs/Quaternion orientation
    float64 x
    float64 y
    float64 z
    float64 w
  float64[9] orientation_covariance
  geometry_msgs/Vector3 angular_velocity
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  float64[9] angular_velocity_covariance
  geometry_msgs/Vector3 linear_acceleration
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  float64[9] linear_acceleration_covariance
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp、sensor_msgs
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <sensor_msgs/Imu.h>
  
  sensor_msgs::Imu imu_msg;
  void imu_cb(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr& msg){
        
        
  	imu_msg = *msg;
  }
  // 2.订阅话题
  ros::Subscriber vel_sub = nh.subscribe<sensor_msgs::Imu>
  			("/mavros/imu/data",10,imu_cb);
  // 3.打印话题内容
  std::cout << imu_msg.linear_acceleration.x << std::endl;
  std::cout << imu_msg.angular_velocity.x << std::endl;
  

（6）/mavros/setpoint_accel/accel

• 订阅/发布：发布

• 功能：设置无人机的加速度，但效果很差，不推荐使用，如果要控加速度，建议使用控制推力的话题

• 数据类型：geometry_msgs/Vector3Stamped

  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  geometry_msgs/Vector3 vector
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  

（7）/mavros/setpoint_velocity/cmd_vel_unstamped

• 订阅/发布：发布

• 功能：设置无人机线速度和角速度，坐标系为local坐标系（东北天）

• 数据类型：geometry_msgs/Twist

  geometry_msgs/Vector3 linear
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  geometry_msgs/Vector3 angular
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp、geometry_msgs
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <geometry_msgs/Twist.h>
  
  // 2.订阅话题
  ros::Publisher vel_pub = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>
  			("/mavros/setpoint_velocity/cmd_vel_unstamped",10);
  // 3.速度消息
  geometry_msgs::Twist vel_msg;
  vel_msg.angular.z = 1;
  vel_msg.linear.y = 1;
  
  // 4.发布话题
  vel_pub.publish(vel_msg);
  ros::spinOnce();
  

（8）/mavros/setpoint_raw/attitude

• 订阅/发布：发布

• 功能：设置无人机姿态、角速度和推力

• 数据类型：mavros_msgs/AttitudeTarget

  uint8 IGNORE_ROLL_RATE=1
  uint8 IGNORE_PITCH_RATE=2
  uint8 IGNORE_YAW_RATE=4
  uint8 IGNORE_THRUST=64
  uint8 IGNORE_ATTITUDE=128
  std_msgs/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
  uint8 type_mask
  geometry_msgs/Quaternion orientation // 四元数姿态
    float64 x
    float64 y
    float64 z
    float64 w
  geometry_msgs/Vector3 body_rate // 角速度，坐标系测试貌似是body坐标系
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  float32 thrust // 推力
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp、geometry_msgs
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <mavros_msgs/AttitudeTarget.h>
  
  // 2.订阅话题
  ros::Publisher thrust_pub = nh.advertise<mavros_msgs::AttitudeTarget>
  			("/mavros/setpoint_raw/attitude",10);
  // 3.创建消息
  mavros_msgs::AttitudeTarget thrust_msg;
  thrust_msg.thrust = 0.7;
  thrust_msg.body_rate.y = 1;
  
  // 4.发布话题	
  thrust_pub.publish(thrust_msg);
  ros::spinOnce();
  

四、常用的服务

（1）/mavros/cmd/arming

• Server端/Client端：Client端

• 功能：发布解锁/上锁命令

• 数据类型：mavros_msgs/CommandBool

  bool value // true解锁,false上锁
  ---
  bool success
  uint8 result
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <mavros_msgs/CommandBool.h>
  
  // 2.订阅服务
  ros::ServiceClient arming_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>
  			("/mavros/cmd/arming");
  // 3.创建变量
  mavros_msgs::CommandBool arm_cmd;
  arm_cmd.request.value = true; // true解锁,false上锁
  
  // 4.请求服务
  if( arming_client.call(arm_cmd) && arm_cmd.response.success){
        
        
  	ROS_INFO("Vehicle armed");
  }
  

（2）/mavros/set_mode

• Server端/Client端：Client端

• 功能：请求切换FCU的飞行模式

• 数据类型：mavros_msgs/SetMode

  uint8 MAV_MODE_PREFLIGHT=0
  uint8 MAV_MODE_STABILIZE_DISARMED=80
  uint8 MAV_MODE_STABILIZE_ARMED=208
  uint8 MAV_MODE_MANUAL_DISARMED=64
  uint8 MAV_MODE_MANUAL_ARMED=192
  uint8 MAV_MODE_GUIDED_DISARMED=88
  uint8 MAV_MODE_GUIDED_ARMED=216
  uint8 MAV_MODE_AUTO_DISARMED=92
  uint8 MAV_MODE_AUTO_ARMED=220
  uint8 MAV_MODE_TEST_DISARMED=66
  uint8 MAV_MODE_TEST_ARMED=194
  uint8 base_mode
  // 常见的模式有MANUAL、ALTCTL、POSCTL、OFFBOARD、STABILIZED、AUTO.LAND
  string custom_mode
  ---
  bool mode_sent
  

• 使用示例：

  // 依赖的库文件有：mavros、roscpp
  
  // 1.头文件需要
  #include <ros/ros.h>
  #include <mavros_msgs/SetMode.h>
  
  // 2.订阅服务
  ros::ServiceClient set_mode_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>
  			("/mavros/set_mode");
  // 3.创建变量
  mavros_msgs::SetMode offb_set_mode;
  offb_set_mode.request.custom_mode = "OFFBOARD";
  
  // 4.请求服务
  if( set_mode_client.call(offb_set_mode) && offb_set_mode.response.mode_sent){
        
        
  	ROS_INFO("Offboard enabled");
  }
  

• 注意：谨慎切换为OFFBOARD模式，特别在实飞中，最好用遥控器切OFFBOARD而不要使用代码自己切，尤其是while循环中不断切换为OFFBOARD，一旦发生意外你需要先杀死这个节点阻止其切换OFFBOARD模式，不然你遥控器无法切出OFFBOARD只能手刹