PX4-Autopilot代码解析（21）-仿真与测试

该仿真测试系统为PX4提供软件在环（SITL）仿真功能，无需物理硬件即可开发、测试和验证飞行控制算法。该系统支持多种仿真后端，包括Gazebo、Gazebo Classic、jMAVSim、FlightGear以及内置的硬件仿真（SIH）模拟器。

有关编译模拟目标的构建系统的信息，请参阅“构建系统”部分。

仿真架构概述

该仿真系统包括仿真器后端选择、传感器数据桥接、执行器输出处理和真实数据生成：

模拟器选择和启动

该仿真系统使用分层启动脚本，根据环境变量和参数选择合适的仿真器后端：

启动过程由脚本处理，
px4-rc.simulator该脚本包含基于检测到的模拟器的特定 RC 文件：

px4-rc.gzsim现代凉亭px4-rc.sihsimSIH模拟器px4-rc.jmavsim用于 jMAVSimpx4-rc.mavlinksim适用于 Gazebo Classic

Gazebo 实施

该类
GZBridge提供 PX4 和现代 Gazebo 模拟器之间的主要接口，处理双向数据交换：

桥梁关键部件

初始化过程
GZBridge会根据参数配置订阅必需和可选的传感器主题：

必需订阅：

通过时钟同步
subscribeClock()通过姿态信息
subscribePoseInfo()通过IMU数据
subscribeImu()通过磁力计
subscribeMag()

可选订阅（参数控制）：

GPS
subscribeNavsat()通过
SIM_GZ_EN_GPS=1通过
subscribeAirPressure()晴雨表
SIM_GZ_EN_BARO=1通过
subscribeDistanceSensor()激光雷达
SIM_GZ_EN_LIDAR=1光流
subscribeOpticalFlow()通过
SIM_GZ_EN_FLOW=1

坐标系变换

该桥接器执行 Gazebo 的 FLU（前左上）坐标系和 PX4 的 FRD（前右下）坐标系之间的坐标变换：

// FLU -> FRD transformation
static const auto q_FLU_to_FRD = gz::math::Quaterniond(0, 1, 0, 0);
gz::math::Vector3d accel_b = q_FLU_to_FRD.RotateVector(gz::math::Vector3d(
    msg.linear_acceleration().x(),
    msg.linear_acceleration().y(), 
    msg.linear_acceleration().z()));

模拟传感器

空速传感器模拟

该
SensorAirspeedSim模块在以下情况下提供合成空速测量值
SENS_EN_ARSPDSIM=1：

空速计算包括大气建模和高度补偿：

const float temperature_local = TEMPERATURE_MSL - LAPSE_RATE * alt_amsl;
const float density_ratio = powf(TEMPERATURE_MSL / temperature_local, 4.256f);
const float air_density = AIR_DENSITY_MSL / density_ratio;

机身配置

模拟机身在目录中按照特定的编号方案进行定义
ROMFS/px4fmu_common/init.d-posix/airframes/：

Gazebo X500 配置示例

该
4001_gz_x500机身展示了典型的仿真参数设置：

PX4_SIMULATOR=${PX4_SIMULATOR:=gz}
PX4_GZ_WORLD=${PX4_GZ_WORLD:=default}
PX4_SIM_MODEL=${PX4_SIM_MODEL:=x500}
 
param set-default SIM_GZ_EN 1
 
# Control allocation for quadrotor
param set-default CA_AIRFRAME 0
param set-default CA_ROTOR_COUNT 4
 
# Motor positions and characteristics
param set-default CA_ROTOR0_PX 0.13
param set-default CA_ROTOR0_PY 0.22
param set-default CA_ROTOR0_KM 0.05

真实数据生成

该仿真系统提供用于算法验证和测试的真实数据。它
GZBridge通过处理仿真器姿态信息来发布真实数据主题：

基于参数的传感器控制

Gazebo桥接器使用参数来启用/禁用特定传感器，从而实现灵活的仿真配置：

这些参数允许开发人员在不修改车辆配置的情况下，模拟传感器故障或使用不同的传感器套件测试算法。