无人机 MAVROS 安装与基础知识梳理及 ROS C++ 仿真案例

1 MAVROS 简介

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）。

2 MAVROS 安装

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：

• 经纬度与局部坐标系（如北东地坐标系，ENU）的转换
• 地理坐标系之间的转换（如 WGS84 到 UTM）
• 地球椭球模型下的距离、方位角、高程计算
• 大地水准面（Geoid）的高度校正

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

3 MAVROS 基础知识

3.1 MAVROS 坐标系

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：
  • ROS 端：采用 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；
  • 飞控端：PX4/ArduPilot 等内部使用，采用 NED坐标系；
• body系：
  • ROS 端：采用 FLU坐标系，即前左上，一般是由 MAVROS发布的 base_link坐标系
  • 飞控端：采用 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：

3.2 MAVROS 常用话题

3.2.1 /mavros/state

• 功能：订阅 MAVROS 的状态数据，如连接状态、是否解锁、当前无人机模式等
• 参数说明：
  • connected：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

3.2.2 /mavros/setpoint_position/local

• 功能：定点飞行
• 参数说明：只有 position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

3.2.3 /mavros/local_position/odom

• 功能：提供无人机在 ROS 端坐标系的位姿和速度里程计信息
• 参数说明：位姿信息是相对于 ROS 端 local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

3.2.4 /mavros/setpoint_raw/local

• 功能：主要用于设置无人机各轴的加速度或推力
• 参数说明：
  • coordinate_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
uint16 IGNORE_YAW = 1024
uint16 IGNORE_YAW_RATE = 2048
geometry_msgs/Point position
geometry_msgs/Vector3 velocity
geometry_msgs/Vector3 acceleration_or_force
float32 yaw
float32 yaw_rate

3.2.5 /mavros/setpoint_raw/attitude

• 功能：用于设置无人机的姿态、推力和各轴角速度

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

3.3 MAVROS 常用服务

3.3.1 /mavros/cmd/arming

• 功能：用于设置无人机的上锁或解锁状态

数据类型：mavros_msgs/CommandBool

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

3.3.2 /mavros/set_mode

• 功能：用于设置无人机飞控的飞行模式
• 参数说明：ROS 端控制要切换到 OFFBOARD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

4 仿真案例

4.1 案例一：设置无人机板外模式并解锁

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();
}

4.2 案例二：无人机起飞到指定高度

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);

4.3 获取无人机位姿并更新状态

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;
}