7.1 通过uXRCE-DDS实现PX4与ROS2通信

提示

Micro XRCE-DDS、micro XRCE-DDS、 uXRCE-DDS 概念等同

Micro XRCE-DDS 取代了PX4 v1.13 中使用的Fast-RTPS Bridge。如果您之前使用的是 Fast-RTPS Bridge，请遵循迁移指南。

PX4 使用 uXRCE-DDS 中间件，允许在配套计算机上发布和订阅uORB 消息，就像ROS 2主题一样。这实现了 PX4 与 ROS 2 之间快速可靠的集成，并使 ROS 2 应用程序能够更轻松地获取无人机信息并发送命令。

以下指南介绍了设置客户端和代理的架构和各种选项。它特别涵盖了对 PX4 用户最重要的选项。

通信架构

uXRCE-DDS 中间件由运行在 PX4 上的客户端Client和运行在配套计算机上的代理Agent组成，它们之间通过串行或 UDP 链路进行双向数据交换。Agent充当客户端的代理，使其能够发布和订阅全局 DDS 数据空间中的主题。

为了使 PX4 uORB 主题能够在 DDS 网络上共享，您需要在 PX4 上运行uXRCE-DDS Client，并将其连接到在配套计算机设备上运行的uXRCE-DDS Agent。

使用串口连接

RDK X5 Module 的AI UART2即/dev/ttyS2与 Pixhawk 6X的 FC UART5即/dev/ttyS4可以通过内部连接串口进行通信，如图所示：

ROS 2 指南和 uXRCE-DDS页面涵盖了设置 uXRCE-DDS 和 ROS 的选项。本教程使用 ROS 2 “Humble”，并介绍了使用 RDK X5 Module 的具体设置。

Pixhawk/PX4 设置

接下来，我们在 TELEM2上设置 ROS 2 而不是 MAVLink 。我们通过更改 QGroundControl 中的参数来实现。QGroundControl 可以通过 USB 连接，也可以使用连接到 TELEM1的遥测无线电。

配置步骤如下：

1. 使用 USB 电缆将 Pixhawk 与笔记本电脑连接，然后打开 QGroundControl（如果当前未连接）。

2. 在 QGroundControl 中检查/更改以下参数：

   MAV_1_CONFIG = 0 (Disabled)
   UXRCE_DDS_CFG = 102 (TELEM2)
   SER_TEL2_BAUD = 921600

   MAV_1_CONFIG=0和UXRCE_DDS_CFG=102分别用于禁用 TELEM2 上的 MAVLink 和启用 TELEM2 上的 uXRCE-DDS 客户端。SER_TEL2_BAUD用于设置通信链路的数据速率。你可以类似地使用MAV_1_CONFIG或MAV_0_CONFIG来配置与TELEM1的连接。若是没有 SER_TEL2_BAUD参数，可以将MAV_1_CONFIG = TELEM2来激活，然后再按照以上步骤重新设置。

   提示

   您需要重新启动飞行控制器才能应用对这些参数的任何更改。

3. PX4 uxrce_dds_client在构建时生成，并默认包含在 PX4 固件中。检查uxrce_dds_client模块是否正在运行。您可以在 QGroundControl MAVLink 控制台中运行以下命令来执行此操作：

   uxrce_dds_client status

   信息

   如果客户端模块未能自动运行，您可以在 MAVLink 控制台中手动启动它：

   uxrce_dds_client start -t serial -d /dev/ttyS4 -b 921600

   请注意，/dev/ttyS4是USX10 Pixhawk 6X上的PX4TELEM2端口映射。对于其他飞行控制器，请查看其概览页面中的串行端口映射部分。

RDK X5 Module 上的 ROS 设置

在 RDK X5 Module上设置 ROS 2 和 Micro XRCE-DDS Agent 的步骤如下：

1. 按照官方教程安装 ROS 2 Humble 。

2. 使用 RDK X5 Module 终端安装 git

   sudo apt install git

3. 安装ROS2 编译工具colcon

   sudo apt update
   sudo apt install python3-colcon-common-extensions

4. 安装 Micro XRCE-DDS Agent

   请参阅uXRCE-DDS > Micro XRCE-DDS Agent安装了解安装代理的其他方法。

5. 开启UART2串口 编辑/boot/config.txt文件，添加dtparam=uart2=on

   sudo nano /boot/config.txt

   

6. 在 RDK X5 Module 终端中启动代理：

   sudo MicroXRCEAgent serial --dev /dev/ttyS2 -b 921600

   请注意我们如何使用之前设置的串行端口以及与 PX4 相同的波特率。

现在代理和客户端都已运行，您应该在 MAVLink 控制台和 RDK X5 Module 终端上都能看到活动。

PX4 启动并运行时， PX4 终端会显示NuttShell/PX4 系统控制台的输出。代理连接后，输出应包含INFO创建数据写入器的消息：

...
INFO  [uxrce_dds_client] synchronized with time offset 1675929429203524us
INFO  [uxrce_dds_client] successfully created rt/fmu/out/failsafe_flags data writer, topic id: 83
INFO  [uxrce_dds_client] successfully created rt/fmu/out/sensor_combined data writer, topic id: 168
INFO  [uxrce_dds_client] successfully created rt/fmu/out/timesync_status data writer, topic id: 188
...

RDK X5 Module 上的Micro XRCE-DDS Agent终端也应该开始显示输出，因为在 DDS 网络中创建了等效主题：

...
[1675929445.268957] info     | ProxyClient.cpp    | create_publisher         | publisher created      | client_key: 0x00000001, publisher_id: 0x0DA(3), participant_id: 0x001(1)
[1675929445.269521] info     | ProxyClient.cpp    | create_datawriter        | datawriter created     | client_key: 0x00000001, datawriter_id: 0x0DA(5), publisher_id: 0x0DA(3)
[1675929445.270412] info     | ProxyClient.cpp    | create_topic             | topic created          | client_key: 0x00000001, topic_id: 0x0DF(2), participant_id: 0x001(1)
...

您可以在 RDK X5 Module 上使用以下命令查看可用的主题：

source /opt/ros/humble/setup.bash
ros2 topic list

如下话题

...
/fmu/in/obstacle_distance
/fmu/in/offboard_control_mode
/fmu/in/onboard_computer_status
/fmu/in/register_ext_component_request
/fmu/in/sensor_optical_flow
/fmu/in/telemetry_status
/fmu/in/trajectory_setpoint
/fmu/in/unregister_ext_component
/fmu/in/vehicle_attitude_setpoint
/fmu/in/vehicle_command
/fmu/in/vehicle_command_mode_executor
/fmu/in/vehicle_mocap_odometry
/fmu/in/vehicle_rates_setpoint
/fmu/in/vehicle_thrust_setpoint
/fmu/in/vehicle_torque_setpoint
/fmu/in/vehicle_trajectory_bezier
/fmu/in/vehicle_trajectory_waypoint
/fmu/in/vehicle_visual_odometry
/fmu/out/estimator_status_flags
/fmu/out/failsafe_flags
/fmu/out/manual_control_setpoint
/fmu/out/position_setpoint_triplet
/fmu/out/sensor_combined
/fmu/out/timesync_status
/fmu/out/vehicle_attitude
/fmu/out/vehicle_control_mode
...

连接成功后，请参阅ROS 2 指南，了解更多关于使用 PX4 和 ROS 2 的信息。

使用以太网连接

启动代理

代理用于通过特定通道（例如 UDP 或串行连接）连接到客户端。通道设置在代理启动时使用命令行选项指定。这些设置记录在 eProsima 用户指南中：Micro XRCE-DDS Agent > Agent CLI。请注意，代理支持多种通道选项，但 PX4 仅支持 UDP 和串行连接。

信息

您应该为需要连接的每个通道创建一个代理实例。

例如，PX4 模拟器在端口 8888 上通过 UDP 运行 uXRCE-DDS 客户端，因此要连接到模拟器，您可以使用以下命令启动代理：

MicroXRCEAgent udp4 -p 8888

启动客户端

所有固件和模拟器默认包含uXRCE-DDS 客户端模块 ( uxrce_dds_client )。必须根据您希望与代理通信的通道进行适当的设置来启动该模块。

信息

模拟器8888使用默认的 uxrce-dds 命名空间自动在本地主机 UDP 端口上启动客户端。

可以使用UXRCE-DDS 参数完成配置：

• UXRCE_DDS_CFG：设置要连接的端口，例如TELEM2、Ethernet或Wifi。

• 如果使用以太网连接：

  • UXRCE_DDS_PRT：用于指定代理 UDP 监听端口。默认值为8888。

  • UXRCE_DDS_AG_IP：用于指定代理的 IP 地址。int32由于 PX4 不支持字符串参数，因此必须以字符串格式提供 IP 地址。默认2130706433值为127.0.0.1 即localhost。

    您可以使用Tools/convert_ip.py在格式之间进行转换：

    • 要获取int32十进制点表示法的 IP 版本，命令如下：

      python3 ./PX4-Autopilot/Tools/convert_ip.py <the IP address in decimal dot notation>

    • 要从版本中获取十进制点表示法的 IP 地址int32：

      python3 ./PX4-Autopilot/Tools/convert_ip.py -r <the IP address in int32 notation>

• 某些设置可能还需要设置这些参数：

  • UXRCE_DDS_KEY：uXRCE-DDS 密钥。如果您使用的是多客户端单代理配置，则每个客户端都应具有唯一的非零密钥。这对于多车辆模拟尤其重要，因为所有客户端都通过 UDP 连接到同一个代理。（请参阅eprosima 官方文档，uxr_init_session。）
  • UXRCE_DDS_DOM_ID：DDS 域 ID。这在 DDS 网络之间提供了逻辑隔离，并可用于区分不同网络上的客户端。默认情况下，ROS 2 在 ID 0 上运行。
  • UXRCE_DDS_PTCFG：uXRCE-DDS 参与者配置。它允许将 DDS 主题的可见性限制为仅限_本地主机_，并使用存储在代理端的用户自定义参与者配置文件。
  • UXRCE_DDS_SYNCT：桥接时间同步启用。uXRCE-DDS 客户端模块可以同步通过桥接交换的消息的时间戳。这是默认配置。在某些情况下，例如在模拟过程中，此功能可能会被禁用。

信息

许多端口已具有默认配置。要使用这些端口，您必须先禁用现有配置：

• TELEM1并TELEM2默认设置为通过 MAVLink 分别连接到地面站 (GCS) 和配套计算机。通过将MAV_0_CONFIG=0或MAV_1_CONFIG=0设置为零来禁用。更多信息请参阅MAVLink 外设。
• 其他端口可类似配置。请参阅串口配置。

设置完成后，可能需要重启 PX4 才能使参数生效。这些参数在后续重启后仍会保留。

您也可以使用命令行启动uxrce_dds_client 。这可以作为系统启动的一部分调用，也可以通过MAVLink Shell（或系统控制台）调用。当您需要设置自定义客户端命名空间时，此方法非常有用，因为没有为此提供任何参数。例如，以下命令可用于通过以太网连接到远程主机 ，192.168.0.100:8888并将客户端命名空间设置为/drone/。

uxrce_dds_client start -t udp -p 8888 -h 192.168.0.100 -n drone

选项-p或-h用于绕过UXRCE_DDS_PRT和UXRCE_DDS_AG_IP。

在模拟中启动客户端

模拟器启动逻辑( init.d-posix/rcS ) 使用客户端启动命令进行单车和多车模拟，从而可以设置适当的实例 ID 和 DDS 命名空间。默认情况下，客户端在 localhost UDP 端口上启动，8888无需任何额外的命名空间。

提供了覆盖某些UXRCE-DDS 参数的环境变量。这些变量允许用户为其模拟创建自定义启动文件：

• PX4_UXRCE_DDS_NS：使用此项指定主题命名空间）。
• ROS_DOMAIN_ID：使用它来替换UXRCE_DDS_DOM_ID。
• PX4_UXRCE_DDS_PORT：使用它来替换UXRCE_DDS_PRT。

例如，以下命令可用于启动在 DDS 域3、端口9999和主题命名空间上运行 che 客户端的 Gazebo 模拟drone。

ROS_DOMAIN_ID=3 PX4_UXRCE_DDS_PORT=9999 PX4_UXRCE_DDS_NS=drone make px4_sitl gz_x500

代理和客户端现在正在运行，它们应该连接。

PX4 启动并运行时， PX4 终端会显示NuttShell/PX4 系统控制台的输出。代理连接后，输出应包含INFO创建数据写入器的消息：

...
INFO  [uxrce_dds_client] synchronized with time offset 1675929429203524us
INFO  [uxrce_dds_client] successfully created rt/fmu/out/failsafe_flags data writer, topic id: 83
INFO  [uxrce_dds_client] successfully created rt/fmu/out/sensor_combined data writer, topic id: 168
INFO  [uxrce_dds_client] successfully created rt/fmu/out/timesync_status data writer, topic id: 188
...

Micro XRCE-DDS Agent终端也应该开始显示输出，因为在 DDS 网络中创建了等效主题：

...
[1675929445.268957] info     | ProxyClient.cpp    | create_publisher         | publisher created      | client_key: 0x00000001, publisher_id: 0x0DA(3), participant_id: 0x001(1)
[1675929445.269521] info     | ProxyClient.cpp    | create_datawriter        | datawriter created     | client_key: 0x00000001, datawriter_id: 0x0DA(5), publisher_id: 0x0DA(3)
[1675929445.270412] info     | ProxyClient.cpp    | create_topic             | topic created          | client_key: 0x00000001, topic_id: 0x0DF(2), participant_id: 0x001(1)
...

通信示例教程

ROS2想要订阅或发布到 PX4 消息，需要与用于创建 PX4 uXRCE-DDS Client的 uORB 消息定义相匹配的px4_msgs，以便可以解释消息。

官方构建 PX4 时，代码生成器使用源树PX4-Autopilot/msg 中的 uORB 消息定义将对/src/modules/uxrce_dds_client/dds_topics.yaml中的 uORB 主题子集的支持编译到uxrce_dds_client中。

PX4 主版本或发布版本会自动将构建中的一组 uORB 消息定义导出到PX4/px4_msgs中的关联分支。

ROS 2 应用程序需要在包含与 PX4 固件中创建 uXRCE-DDS 客户端模块相同的消息定义的工作区中构建。您可以通过将接口包PX4/px4_msgs克隆到您的 ROS 2 工作区并切换到相应的分支，将这些消息定义添加到工作区中。请注意，所有与消息相关的代码生成均由 ROS 2 处理。

px4_ros_com

https://docs.px4.io/main/en/ros2/offboard_control.html

https://github.com/PX4/px4_ros_com.git

px4-ros2-interface-lib

https://docs.px4.io/main/en/ros2/px4_ros2_interface_lib.html

https://github.com/Auterion/px4-ros2-interface-lib

更多信息

请参考PX4官方文档

• uXRCE-DDS https://docs.px4.io/main/en/middleware/uxrce_dds.html
• ROS2 https://docs.px4.io/main/en/ros2/user_guide.html
• Companion Computer https://docs.px4.io/main/en/companion_computer/pixhawk_rpi.html