C++AI算法
MAVROS 安装与基础知识梳理及 ROS C++ 仿真案例
MAVROS 是连接 ROS 与飞控的中间件，支持双向数据传输。介绍 MAVROS 安装步骤、坐标系定义（global/local/body）、常用话题与服务接口，并通过 ROS C++ 代码演示了设置板外模式、解锁、起飞及获取位姿的仿真案例，为无人机开发提供基础参考。
MAVROS 是连接 ROS 与飞控的中间件，支持双向数据传输。介绍 MAVROS 安装步骤、坐标系定义（global/local/body）、常用话题与服务接口，并通过 ROS C++ 代码演示了设置板外模式、解锁、起飞及获取位姿的仿真案例，为无人机开发提供基础参考。
MAVROS是无人机开发中连接机器人操作系统（ROS）与飞控系统的关键中间件，通过标准化通信协议实现 ROS 节点与无人机的交互。它基于**MAVLink（Micro Air Vehicle Link）**轻量级通信协议，为 ROS 生态提供了与飞控（如Pixhawk、ArduPilot、PX4等）通信的统一接口，使开发者无需深入理解底层飞控协议，即可直接调用 ROS 的丰富工具链（如 RViz 可视化、Gazebo 仿真、导航栈）快速搭建无人机任务，推动了无人机应用的灵活开发与高效迭代。
MAVROS的核心功能包括双向数据传输：一方面，它订阅飞控的传感器数据（如IMU、GPS、电池状态）并发布至 ROS 话题，供导航、感知等模块使用；另一方面，它接收 ROS 服务或动作指令（如起飞、降落、位姿控制），转换为 MAVLink消息发送至飞控执行。此外，MAVROS支持多种通信接口（串口、UDP、TCP），适配不同硬件场景，并提供参数配置服务，允许动态读写飞控参数（如 PID 调参、飞行模式切换）。
通过以下命令安装MAVROS：
sudo apt-get install ros-noetic-mavros
sudo apt install ros-noetic-mavros-extras
GeographicLib是一个开源的地理计算库，专门用于处理地球表面的高精度地理坐标计算，例如：
MAVROS在处理无人机导航和地理空间数据时需要依赖GeographicLib提供的高精度地理计算功能，因此需要安装相关数据集：
wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
sudo chmod +x ./install_geographiclib_datasets.sh
sudo ./install_geographiclib_datasets.sh
MAVROS中涉及到以下坐标系：
global系：一般由 GPS 定义，例如经纬高坐标系（WGS84）local系：
ENU坐标系，一般是由MAVROS发布的map坐标系，其坐标原点是MAVROS收到里程计信息时飞控所在的位置，并规定x轴朝东、y轴朝北、z轴朝天，此时机体方向朝东；NED坐标系；body系：
FLU坐标系，即前左上，一般是由MAVROS发布的base_link坐标系FRD坐标系，即前右下具体关系如下图所示：
以下面的场景为实例，map系和Gazebo里的坐标系方向一致。机身前方定义为东，即map系的x轴正方向，机身前进方向同时为base_link系的x轴正方向。所以从方向来看，ROS 端的map系和base_link系一致：
/mavros/stateconnected：检测无人机与地面站的物理连接状态armed：监控无人机电机是否解锁，只有armed=true时表示电机已解锁，无人机可飞行mode：常用模式有：
MANUAL：完全手动模式POSCTL：位置控制模式ALTCTL：高度控制模式OFFBOARD：板外模式，ROS 主机控制无人机需要切换到这个模式MISSION：自动任务模式LOITER：自动悬停模式RTL：自动返航模式LAND：自动降落模式TAKEOFF：自动起飞模式manual_input：检测是否有人工遥控器输入system_status：无人机整体系统状态，分为未初始化、系统启动中、待机模式、任务执行中和紧急状态数据类型：mavros_msgs/State
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
/mavros/setpoint_position/localposition生效，不控制姿态orientation。position是相对于 ROS 端local坐标系的坐标数据类型：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
/mavros/local_position/odomlocal坐标系的坐标，速度信息是相对于 ROS 端body坐标系的坐标数据类型：nav_msgs/Odometry
std_msgs/Header header uint32 seq time stamp string frame_id string child_frame_id geometry_msgs/PoseWithCovariance pose 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 float64[36] covariance geometry_msgs/TwistWithCovariance twist geometry_msgs/Twist twist geometry_msgs/Vector3 linear float64 x float64 y float64 z geometry_msgs/Vector3 angular float64 x float64 y float64 z float64[36] covariance
/mavros/setpoint_raw/localcoordinate_frame：飞控端采用的坐标系，一般设置为FRAME_LOCAL_NED，但是该话题数据都是在 ROS 端坐标系下，MAVROS会自动进行一次坐标变换type_mask：类型掩码，例如只控制加速度需要将位置、速度、角速度等标志为置为忽略数据类型：mavros_msgs::PositionTarget
std_msgs/Header header uint8 coordinate_frame uint8 FRAME_LOCAL_NED = 1 uint8 FRAME_LOCAL_OFFSET_NED = 7 uint8 FRAME_BODY_NED = 8 uint8 FRAME_BODY_OFFSET_NED = 9 uint16 type_mask uint16 IGNORE_PX = 1 # Position ignore flags uint16 IGNORE_PY = 2 uint16 IGNORE_PZ = 4 uint16 IGNORE_VX = 8 # Velocity vector ignore flags uint16 IGNORE_VY = 16 uint16 IGNORE_VZ = 32 uint16 IGNORE_AFX = 64 # Acceleration/Force vector ignore flags uint16 IGNORE_AFY = 128 uint16 IGNORE_AFZ = 256 uint16 FORCE = 512 # Force in af vector flag geometry_msgs/Point position geometry_msgs/Vector3 velocity geometry_msgs/Vector3 acceleration_or_force float32 yaw float32 yaw_rate
/mavros/setpoint_raw/attitude数据类型：mavros_msgs::AttitudeTarget
std_msgs/Header header uint8 type_mask uint8 IGNORE_ROLL_RATE = 1 # body_rate.x uint8 IGNORE_PITCH_RATE = 2 # body_rate.y uint8 IGNORE_YAW_RATE = 4 # body_rate.z uint8 IGNORE_THRUST = 64 uint8 IGNORE_ATTITUDE = 128 # orientation field geometry_msgs/Quaternion orientation geometry_msgs/Vector3 body_rate float32 thrust
/mavros/cmd/arming数据类型：mavros_msgs/CommandBool
bool value // true 解锁，false 上锁 --- bool success uint8 result
/mavros/set_modeOFFBOARD模式数据类型：mavros_msgs/SetMode
string custom_mode uint8 base_mode 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 --- bool mode_sent
this->arm_client_ = this->nh_.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>("mavros/cmd/arming");
this->set_mode_client_ = this->nh_.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>("mavros/set_mode");
mavros_msgs::SetMode offboardMode;
offboardMode.request.custom_mode = "OFFBOARD";
mavros_msgs::CommandBool armCmd;
armCmd.request.value = true;
ros::Time lastRequest = ros::Time::now();
while(ros::ok()){
if(this->mavros_state_.mode != "OFFBOARD" && (ros::Time::now() - lastRequest > ros::Duration(5.0))){
if(this->set_mode_client_.call(offboardMode) && offboardMode.response.mode_sent){
cout << "Offboard mode enabled." << endl;
}
lastRequest = ros::Time::now();
} else {
if(!this->mavros_state_.armed && (ros::Time::now() - lastRequest > ros::Duration(5.0))){
if(this->arm_client_.call(armCmd) && armCmd.response.success){
cout << "Vehicle armed." << endl;
}
lastRequest = ros::Time::now();
}
}
r.sleep();
}
假设要飞到 1m 的高度：
this->position_pub_ = this->nh_.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>("/mavros/setpoint_position/local", 1000);
geometry_msgs::PoseStamped ps;
ps.header.frame_id = "map";
ps.header.stamp = ros::Time::now();
ps.pose.position.x = this->odom_.pose.pose.position.x;
ps.pose.position.y = this->odom_.pose.pose.position.y;
ps.pose.position.z = 1.0;
ps.pose.orientation = this->odom_.pose.pose.orientation;
this->position_pub_.publish(ps);
this->odom_sub_ = this->nh_.subscribe<nav_msgs::Odometry>("/mavros/local_position/odom", 1000, &flightBase::odomCB, this);
void flightBase::odomCB(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr &odom){
this->odom_ = *odom;
this->curr_position_(0) = this->odom_.pose.pose.position.x;
this->curr_position_(1) = this->odom_.pose.pose.position.y;
this->curr_position_(2) = this->odom_.pose.pose.position.z;
Eigen::Vector3d curr_vel_body(this->odom_.twist.twist.linear.x, this->odom_.twist.twist.linear.y, this->odom_.twist.twist.linear.z);
Eigen::Vector4d orientation_quat(this->odom_.pose.pose.orientation.w, this->odom_.pose.pose.orientation.x, this->odom_.pose.pose.orientation.y, this->odom_.pose.pose.orientation.z);
Eigen::Matrix3d orientation_rot = quat2RotMatrix(orientation_quat);
this->curr_vel_ = orientation_rot * curr_vel_body;
}
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