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MAVROS 安装与基础知识梳理及 ROS C++ 仿真案例

MAVROS 是连接 ROS 与飞控的关键中间件。 MAVROS 的安装流程及 GeographicLib 依赖配置,详细阐述了 global、local、body 坐标系的转换关系,列举了常用的话题与服务接口。最后通过 ROS C++ 代码示例,演示了如何设置板外模式、解锁无人机、控制起飞高度以及获取位姿数据,为无人机开发提供基础参考。

Elasticer发布于 2026/4/6更新于 2026/9/193 浏览
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)。

MAVROS 架构图

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,因此需要安装 GeographicLib。

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:

    坐标系关系

    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:

    ROS 坐标系示例

    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;
    }
    

    目录

    1. 1 MAVROS 简介
    2. 2 MAVROS 安装
    3. 3 MAVROS 基础知识
    4. 3.1 MAVROS 坐标系
    5. 3.2 MAVROS 常用话题
    6. 3.2.1 /mavros/state
    7. 3.2.2 /mavros/setpoint_position/local
    8. 3.2.3 /mavros/local_position/odom
    9. 3.2.4 /mavros/setpoint_raw/local
    10. 3.2.5 /mavros/setpoint_raw/attitude
    11. 3.3 MAVROS 常用服务
    12. 3.3.1 /mavros/cmd/arming
    13. 3.3.2 /mavros/set_mode
    14. 4 仿真案例
    15. 4.1 案例一:设置无人机板外模式并解锁
    16. 4.2 案例二:无人机起飞到指定高度
    17. 4.3 获取无人机位姿并更新状态

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