Handel Class Note AI and ML , ROS : 介紹MAVROS、Gazebo 和 Firmware SITL 在無人機模擬中的作用

介紹MAVROS、Gazebo 和 Firmware SITL 在無人機模擬中的作用。這三者通常會被整合在一起，特別是在使用 ROS (機器人作業系統) 進行無人機上層控制算法開發時，形成一個強大且真實的模擬環境。

🚀 無人機模擬系統的核心組成

這三者在模擬中扮演的角色可以用一個流程來理解：Firmware SITL 模擬無人機的真實飛控硬體和底層邏輯，Gazebo 提供虛擬世界和物理模型，而 MAVROS 則充當 ROS 上層控制程式和飛控固件之間的通訊橋樑。

MAVROS 是一個 ROS 軟體包，它是 ROS 與 MAVLink 協議之間不可或缺的翻譯官和橋樑。

📘 MAVLink 協議： 一種輕量級的訊息傳輸協議，專門用於無人機 (UAV) 與地面控制站 (GCS) 或機載電腦之間的通訊，例如傳輸狀態資料、感測器讀數和控制指令。
🌉 核心功能：
- 它將 ROS 中發布的控制指令（如期望位置、速度或姿態）轉換為 MAVLink 訊息，並傳送給飛控固件 (如 PX4 或 ArduPilot)。
- 它將飛控固件傳回的 MAVLink 訊息（如無人機的即時位置、電池狀態、飛行模式、感測器數據等）轉換為 ROS 話題 (Topics) 和 服務 (Services)，供 ROS 中的其他上層程式訂閱和使用。
💡 重要性： MAVROS 讓開發者可以在 ROS 環境中，使用熟悉的 ROS 介面和工具來開發複雜的自主飛行算法，而無需直接處理底層的 MAVLink 協議細節。

Gazebo 是一個功能強大的 3D 物理模擬器，它提供了一個高逼真度的虛擬環境，用於測試和開發機器人應用，包括無人機。

🌍 虛擬環境： 提供一個可視化的 3D 世界，可以建立複雜的室內或室外場景，並加入障礙物、地形、建築物等。
⚛️ 物理引擎： 具備強大的物理引擎（如 ODE, Bullet, Simbody, DART），能夠準確地模擬無人機的動力學、空氣動力學、重力和與環境的碰撞等物理現象。
🛰️ 感測器模型： 模擬無人機上各種感測器（如 GPS、IMU、相機、雷射雷達等）的數據輸出，這些虛擬數據會被傳送給飛控固件進行處理，就像真實感測器一樣。
💡 重要性： Gazebo 模擬了無人機的「機身」和「現實世界」，允許開發者在安全、可重複的虛擬環境中測試控制程式，而不需要真實的硬體或擔心造成損壞。

SITL（Software-In-The-Loop，軟體在環）是一種模擬技術，它允許無人機的真實飛控固件（例如 PX4 或 ArduPilot 的程式碼）直接在主機電腦上執行。

💻 固件執行： 飛控固件的程式碼不是編譯到實體飛控板上，而是編譯為一個可以在 Linux 或 Mac OS 等作業系統上執行的原生應用程式。
🔁 模擬迴路：
- 輸入： SITL 固件會接收來自 Gazebo 模擬的感測器數據（如虛擬 IMU、GPS 數據）。
- 處理： SITL 固件執行其內部所有的導航、控制、姿態估計、飛行模式邏輯等，就如同在真實飛控板上一樣。
- 輸出： SITL 固件計算出馬達的 PWM 輸出值，並將這些值傳送回 Gazebo。
💡 重要性： SITL 模擬了無人機的「大腦」，這讓開發者可以測試和除錯整個飛控程式碼和底層控制邏輯，而無需實體硬體。它是整個模擬環境中最接近真實飛控的部分。

在無人機的 SITL 模擬中，它們的整合流程如下：

這種整合是進行無人機高級算法（如路徑規劃、避障、編隊飛行）開發和測試的標準且高效的方式。