📚 课程目录第2章开发环境搭建

2. 开发环境搭建

说实话，做多无人机地面站开发，环境搭建这一步最容易被轻视。很多人急着写代码，结果编译报错一整天，最后发现是依赖版本没对齐。我这些年踩过的坑，十有八九都出在环境上。所以这一章，咱们把地基打牢。

本章核心目标：在一台干净的 Ubuntu 机器上，完成从操作系统配置到 PX4 仿真环境联调的全链路搭建。最终你能在终端里跑起一个虚拟无人机，并且用 ROS2 节点给它发指令。

2.1 操作系统选择与基础配置

我个人习惯用 Ubuntu 22.04 LTS。为什么？因为 ROS2 Humble 官方推荐的就是 22.04，省去很多兼容性麻烦。当然，如果你手头只有 20.04 的机器，也能用，但需要手动处理一些依赖版本问题。

装完系统后，第一件事不是装 ROS，而是换源。你想想看，国内网络环境从官方源拉包，那速度……嗯，你懂的。

# 备份原源
sudo cp /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak

# 替换为清华源（Ubuntu 22.04）
sudo sed -i 's/archive.ubuntu.com/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/g' /etc/apt/sources.list
sudo sed -i 's/security.ubuntu.com/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/g' /etc/apt/sources.list

# 更新
sudo apt update && sudo apt upgrade -y

小技巧：换源后记得检查一下 apt policy 的输出，确认源地址已经变成镜像站。我曾经遇到过 sed 命令没生效，结果还是从官方源下载，白白等了半小时。

接下来装一些基础工具。这些包后面都会用到，一次性装好省事。

sudo apt install -y \
    git \
    wget \
    curl \
    vim \
    net-tools \
    htop \
    build-essential \
    cmake \
    python3-pip \
    python3-venv \
    terminator

2.2 ROS2 Humble 安装与配置

ROS2 的安装流程其实很固定，但有几个细节容易翻车。我建议严格按照官方步骤来，别自己瞎改。

2.2.1 设置 locale

ROS2 要求 UTF-8 编码。这一步很多人跳过，结果后面 ros2 topic list 中文乱码。

sudo apt update && sudo apt install locales
sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8
export LANG=en_US.UTF-8

2.2.2 添加 ROS2 源

# 添加 ROS2 GPG key
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg

# 添加源
echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(lsb_release -cs) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

sudo apt update

2.2.3 安装 ROS2 Humble

这里有两个选择：桌面版（desktop）和基础版（base）。做地面站开发，我建议装桌面版，因为包含了 rviz2、rqt 等可视化工具，调试时非常有用。

sudo apt install -y ros-humble-desktop

装完后，记得把 ROS2 环境变量加到 .bashrc 里。不然每次开终端都要 source 一遍，烦不烦？

echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

注意：如果你同时装了 ROS1 和 ROS2，千万别把两个 setup.bash 都 source 到同一个终端里。环境变量会打架，导致各种诡异错误。我建议用别名或者单独开终端来区分。

2.2.4 验证安装

跑一个简单的 talker-listener 测试，确认 ROS2 能正常工作。

# 终端1
ros2 run demo_nodes_cpp talker

# 终端2
ros2 run demo_nodes_py listener

如果看到 "I heard: Hello World" 这样的输出，说明 ROS2 装好了。

2.3 MAVSDK 与 PX4 环境搭建

这部分是地面站开发的核心。MAVSDK 负责和无人机通信，PX4 提供仿真环境。两者配合，才能在地面站上看到虚拟无人机的状态。

2.3.1 安装 PX4 依赖

PX4 的编译依赖比较多，我整理了一个清单，照着装就行。

依赖类别	具体包名	用途
编译工具	gcc, g++, cmake, ninja-build	编译 PX4 固件
Python 工具	pip, empy, toml, numpy, jinja2	代码生成与配置
仿真依赖	Gazebo, protobuf, libeigen3-dev	无人机物理仿真
图形界面	libopencv-dev, libgstreamer1.0-dev	机载摄像头模拟

# 一键安装
sudo apt install -y \
    gcc g++ cmake ninja-build \
    python3-pip python3-empy python3-toml python3-numpy python3-jinja2 \
    libeigen3-dev libopencv-dev libgstreamer1.0-dev \
    gazebo libgazebo-dev

pip3 install --user protobuf==3.20.3

避坑指南：protobuf 版本一定要锁在 3.20.3。我试过装最新版，结果 PX4 编译时报 protobuf 兼容性错误，折腾了一下午才发现是版本问题。

2.3.2 编译 PX4 固件

从 GitHub 克隆 PX4 源码，然后编译。注意，这里要用 make px4_sitl 编译仿真版本，不是飞控硬件版本。

cd ~
git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --recursive
cd PX4-Autopilot
make px4_sitl gazebo

第一次编译会比较慢，大概 20-30 分钟。趁这个时间，你可以去泡杯咖啡。编译成功后，你会看到 Gazebo 窗口弹出来，里面有一架四旋翼无人机。

2.3.3 安装 MAVSDK

MAVSDK 提供 C++ 和 Python 两种接口。做地面站开发，我推荐用 C++ 版本，性能更好。但如果你只是快速验证，Python 版本也够用。

# 安装 MAVSDK C++ 库
cd ~
wget https://github.com/mavlink/MAVSDK/releases/download/v1.4.0/libmavsdk-dev_1.4.0_amd64.deb
sudo dpkg -i libmavsdk-dev_1.4.0_amd64.deb

# 安装 MAVSDK Python 库
pip3 install mavsdk

2.3.4 验证 MAVSDK 与 PX4 通信

启动 PX4 仿真后，MAVSDK 默认通过 UDP 端口 14540 与仿真器通信。我们来写一个简单的 Python 脚本，读取无人机的位置信息。

import asyncio
from mavsdk import System

async def run():
    drone = System()
    await drone.connect(system_address="udp://:14540")

    print("等待无人机连接...")
    async for state in drone.core.connection_state():
        if state.is_connected:
            print("无人机已连接！")
            break

    async for position in drone.telemetry.position():
        print(f"位置: {position}")

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(run())

运行这个脚本，如果看到位置数据不断输出，说明环境搭建成功了。

2.4 整体架构图

下面这张图展示了我们搭建的整个开发环境架构。你可以看到数据从 PX4 仿真器出发，经过 MAVSDK 桥接，最终被 ROS2 节点消费。

2.5 常见问题与解决方案

环境搭建过程中，有几个问题几乎每个人都会遇到。我列出来，你遇到了直接对照解决。

问题现象	可能原因	解决方案
Gazebo 启动后黑屏	显卡驱动问题或模型路径未设置	安装 `mesa-utils`，并设置 `export GAZEBO_MODEL_PATH=$HOME/PX4-Autopilot/Tools/sitl_gazebo/models`
MAVSDK 连接超时	UDP 端口被占用或防火墙拦截	检查 `netstat -uln \| grep 14540`，确保端口未被占用；关闭防火墙测试
ROS2 节点找不到话题	ROS_DOMAIN_ID 不匹配	所有终端设置相同的 `export ROS_DOMAIN_ID=0`
编译 PX4 时报 protobuf 错误	protobuf 版本过高	卸载高版本，安装 `protobuf==3.20.3`

重要提醒：如果你在虚拟机里跑 Gazebo，记得开启 3D 加速。否则仿真帧率会低到令人崩溃。我曾在 VirtualBox 里试过，默认设置下只有 5 FPS，根本没法用。换成 VMware 或者直接双系统会好很多。