📚 课程目录第1章 PX4仿真环境搭建

1、PX4仿真环境搭建：Gazebo与PX4的安装配置、MAVSDK环境准备、仿真网络拓扑理解

各位同学，欢迎来到《PX4仿真测试与航线验证》的第一章。

做飞控开发，最怕什么？怕炸机。我刚开始接触PX4那会儿，有一次在真机上测试一个新写的姿态控制算法，结果飞机刚离地一米就翻了。桨叶碎了三副，电池摔变形了，还好没伤到人。从那以后，我养成了一个习惯——任何代码改动，必须先过仿真。

这一章，我们就来把仿真环境搭好。这是后续所有测试和验证的基础。说白了，环境搭不好，后面全是白费功夫。

1.1 整体架构：仿真系统里都有谁？

在动手安装之前，我们先搞清楚整个仿真系统是怎么工作的。你想想看，一套完整的PX4仿真环境，其实就是在你的电脑上模拟出一架无人机，以及它周围的物理世界。

核心角色有三个：

PX4 Autopilot（飞控固件）：无人机的“大脑”，负责控制逻辑。
Gazebo（物理仿真器）：模拟“现实世界”，包括重力、空气阻力、碰撞、传感器数据等。
MAVSDK（通信桥梁）：你的地面站程序或测试脚本，通过它与PX4通信，发送指令、接收状态。

它们之间的数据流向，我画了一张图，你看完就明白了。

我的经验： 很多新手搞不清端口号。记住一个口诀：“14540 是给地面站的，14560 是给仿真器的”。调试的时候，用 mavlink status 命令看一眼，就知道数据通没通。

1.2 安装PX4与Gazebo

安装这块，我建议你直接用PX4官方推荐的 ubuntu.sh 一键脚本。别自己一个个去装，容易漏依赖，而且版本还可能对不上。

我个人习惯在 ~/src 目录下放所有代码。你可以这样操作：

# 1. 创建并进入工作目录
mkdir -p ~/src
cd ~/src

# 2. 克隆 PX4 固件代码（建议用 v1.14 稳定版）
git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --branch v1.14.3
cd PX4-Autopilot

# 3. 运行自动安装脚本（包含 Gazebo、MAVSDK 等所有依赖）
bash ./Tools/setup/ubuntu.sh

# 4. 编译并启动仿真（首次编译较慢，约 20-30 分钟）
make px4_sitl gazebo-classic

脚本跑完后，你会看到 Gazebo 窗口弹出来，里面停着一架 Iris 四旋翼。同时终端里会打印 PX4 的启动日志。看到 INFO [commander] Ready for takeoff! 这行字，就说明环境跑起来了。

注意： 如果你用的是 Ubuntu 22.04，Gazebo Classic 的安装可能会遇到 gazebo: command not found 的问题。我曾经在这上面卡了半小时。解决办法是手动安装 Gazebo Garden 或 Harmonic，然后配置 GZ_VERSION 环境变量。具体步骤在 PX4 官方文档的 Gazebo Installation 章节有写。

1.3 安装与配置MAVSDK

MAVSDK 是连接你写的测试代码和 PX4 的桥梁。我一般用 C++ 版本，因为性能好，而且和 PX4 的集成度最高。

安装方式有两种，我推荐用源码编译，这样能确保拿到最新的 API：

# 1. 安装依赖
sudo apt-get install cmake build-essential libcurl4-openssl-dev \
  libtinyxml2-dev libgtest-dev

# 2. 克隆 MAVSDK 源码
cd ~/src
git clone https://github.com/mavlink/MAVSDK.git
cd MAVSDK

# 3. 编译并安装
cmake -B build/default -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build build/default -j4
sudo cmake --install build/default

安装完成后，你可以写一个简单的测试程序，验证 MAVSDK 能否连上 PX4 仿真：

#include <iostream>
#include <mavsdk/mavsdk.h>
#include <mavsdk/plugins/telemetry/telemetry.h>

using namespace mavsdk;

int main() {
    Mavsdk mavsdk;
    ConnectionResult conn_result = mavsdk.add_any_connection("udp://:14540");
    
    if (conn_result != ConnectionResult::Success) {
        std::cerr << "连接失败！" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    auto system = mavsdk.first_autopilot(10.0);
    if (!system) {
        std::cerr << "未发现飞控！" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    auto telemetry = Telemetry{system.value()};
    telemetry.subscribe_position([](Telemetry::Position position) {
        std::cout << "纬度: " << position.latitude_deg << ", "
                  << "经度: " << position.longitude_deg << ", "
                  << "高度: " << position.relative_altitude_m << "m" << std::endl;
    });
    
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10));
    return 0;
}

编译运行后，如果终端里能持续打印出经纬度和高度，就说明 MAVSDK 和 PX4 仿真已经成功握手了。

避坑指南： 我曾经遇到过 MAVSDK 连接后收不到数据的情况。排查了半天，发现是防火墙把 UDP 端口拦了。如果你也遇到类似问题，先试试 sudo ufw disable 关掉防火墙，或者放行 14540 和 14560 端口。

1.4 验证环境：跑一个简单的起飞降落

环境搭好了，我们来验证一下。用 PX4 自带的命令行工具，手动控制飞机起飞和降落。这是最直观的验证方式。

打开一个新终端，进入 PX4 目录，启动仿真：

cd ~/src/PX4-Autopilot
make px4_sitl gazebo-classic

等 Gazebo 窗口出现后，再开一个终端，输入以下命令：

# 连接 PX4 的 shell
px4 list
# 你会看到类似这样的输出：
# instance 0: /dev/pts/4 (px4)
# 记下这个 pts 编号，比如 /dev/pts/4

# 连接进去
sudo screen /dev/pts/4

# 在 PX4 shell 中输入：
commander takeoff
# 等待几秒，飞机应该会起飞到 2.5 米高度悬停

# 然后降落：
commander land

如果你看到 Gazebo 里的飞机稳稳起飞，然后缓缓降落，恭喜你——你的仿真环境已经可以正常工作了。

验证清单：

检查项	预期结果	常见问题
Gazebo 窗口弹出	显示 Iris 无人机模型	显卡驱动问题，尝试 `export SVGA_VGPU10=0`
终端打印 `Ready for takeoff`	PX4 初始化完成	检查是否有端口冲突，重启电脑
MAVSDK 测试程序打印位置数据	经纬度、高度持续更新	检查 UDP 端口和防火墙
`commander takeoff` 成功	飞机起飞并悬停	检查仿真时间是否正常，`param set SIM_SPEED_FACTOR 1`

1.5 本章小结

这一章我们做了三件事：

搞清楚了 PX4、Gazebo、MAVSDK 三者之间的通信关系。
把 PX4 和 Gazebo 的仿真环境跑起来了。
安装了 MAVSDK，并验证了数据链路是通的。