在Windows环境下搭建无人机模拟器

最近要开发无人机地面站，但是没有无人机，开发无人机对我来说也是大姑娘坐花轿——头一回。我们要用 MAVLink 和无人机之间通信，看了几天 MAVLink，还是不得劲儿，没有实物实在是不好弄，所以想先装一个无人机模拟器来试试。

基本概念

首先要明确一些概念，将它们与具体事务之间建立起联系，明白这些名词是什么，干什么的。

载具

无人机，无人车，无人船，这些都叫做载具。
载荷

载具上安装的传感器，摄像头等都叫做载荷。
地面站

载具与地面站之前进行通信，地面站可以显示载具和载荷信息，并发送指令控制载具。
MAVLink

载具与地面站之间进行通信的协议，它针对资源受限平台进行了优化，开源，轻量。
Pixhawk 和 PX4

Pixhawk 是开源飞控硬件平台，PX4 是专为 Pixhawk 开发的固件。
ArduPilotMega 和 ArduPilot

ArduPilotMega 也是飞控硬件平台，ArduPilot 是 ArduPilotMega 的固件，但是由于 ArduPilotMega 性能较低，所以 ArduPilot 也对 Pixhawk 做了兼容，可以运行在 Pixhawk 上。它们都叫 APM，所以看到 APM 的时候要明白它既是硬件平台，也是软件平台。

QGC 和 MP：

QGC 是 QGroundControl，MP 是 Mission Planner，它们都是地面站。QGC 是 PX4 用的地面站，MP 是 APM 的地面站。当然，地面站没有什么专用的，APM 也可以用 QGC 作为地面站。
SITL

全称 Software In The Loop，是一种用于测试和开发无人机的仿真环境，可以在没有硬件的情况下通过软件模拟无人机的飞行和传感器数据。

参考：

PX4（Pixhawk）和Audupilot（APM）的区别与联系_px4和pixhawk的区别-CSDN博客

搭建SITL仿真环境模拟APM

我选择了 APM 进行模拟仿真，因为它安装配置起来比较简单，目前只是用它来学习是试验。

SITL 是在 Linux 上开发的，但是也可以在 Windows 上编译运行。我现在没有时间来折腾 Ubuntu 系统了，所以直接在 Windows 上开搞，虽然官方并不推荐。

第一步：下载 ardupilot 源码

$ git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot
$ cd ardupilot/
$ git submodule update --init --recursiv

第1行是下载 ardupilot 源码，然后进入 ardupilot 目录，第3行是下载子模块。其实这里我感觉只需要执行第1行就可以了，因为我们最终要用到的其实是这个仓库下的一个脚本，后面的步骤我们会看到。所以这里应该不需要下载子模块，但是在之前的尝试中我已经下载了子模块，所以没去亲测不下载子模块是否也可以。而且后面还是要重新下载源码的。

第二步：安装运行环境

这里环境配置其实还是挺麻烦的，需要 Cygwin，GCC，MAVProxy，python等，我看了很多博客，没人讲清楚环境究竟该怎么配置好，实在是有点生气，浪费了不少时间，还是官网比较靠谱。

完整的环境配置步骤在官网有详细说明，我是在 Windows 上安装，所以参考👉这里👈。打开官方文档，我们看到有一个注意：

翻译过来就是：在 ardupilot 源码的 Tools/environment_install 目录下有一个 install-prereqs-windows.ps1 脚本可以自动帮我们自动执行下面的全部步骤，也就是自动帮我们配置好所有环境依赖。 .ps1 是 Windows 的 PowerShell 脚本，可以直接在 PowerShell 中执行。原来可以一键配置环境，这简直是太让人激动了。

不过大家先别急着执行这个脚本，我们可以先看一下这个脚本的内容：

#Powershell script to download and configure the APM SITL environment

Import-Module BitsTransfer

Write-Output "Starting Downloads"

Write-Output "Downloading MAVProxy (1/7)"
Start-BitsTransfer -Source "https://firmware.ardupilot.org/Tools/MAVProxy/MAVProxySetup-latest.exe" -Destination "$PSScriptRoot\MAVProxySetup-latest.exe"

Write-Output "Downloading Cygwin x64 (2/7)"
Start-BitsTransfer -Source "https://cygwin.com/setup-x86_64.exe" -Destination "$PSScriptRoot\setup-x86_64.exe"

Write-Output "Downloading ARM GCC Compiler 10-2020-Q4-Major (3/7)"
Start-BitsTransfer -Source "https://firmware.ardupilot.org/Tools/STM32-tools/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-win32.exe" -Destination "$PSScriptRoot\gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-win32.exe"

Write-Output "Installing Cygwin x64 (4/7)"
Start-Process -wait -FilePath $PSScriptRoot\setup-x86_64.exe -ArgumentList "--root=C:\cygwin64 --no-startmenu --local-package-dir=$env:USERPROFILE\Downloads --site=http://cygwin.mirror.constant.com --packages autoconf,automake,ccache,cygwin32-gcc-g++,gcc-g++=7.4.0-1,libgcc1=7.4.0.1,gcc-core=7.4.0-1,git,libtool,make,gawk,libexpat-devel,libxml2-devel,python37,python37-future,python37-lxml,python37-pip,libxslt-devel,python37-devel,procps-ng,zip,gdb,ddd,xterm --quiet-mode"

Write-Output "Downloading extra Python packages (5/7)"
Start-Process -wait -FilePath "C:\cygwin64\bin\bash" -ArgumentList "--login -i -c 'python3.7 -m pip install empy==3.3.4 pyserial pymavlink intelhex dronecan pexpect'"

Write-Output "Installing ARM GCC Compiler 10-2020-Q4-Major (6/7)"
& $PSScriptRoot\gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-win32.exe /S /P /R

Write-Output "Installing MAVProxy (7/7)"
& $PSScriptRoot\MAVProxySetup-latest.exe /SILENT | Out-Null

Write-Host "Finished. Press any key to continue ..."
$x = $host.UI.RawUI.ReadKey("NoEcho,IncludeKeyDown")

Write-Output 就跟 print 或 echo 一样，用来向控制台打印内容。我们可以看到一共有7个步骤，他会帮我们：

下载 MAVProxy
下载 Cygwin
下载 ARM GCC 编译器
安装 Cygwin
下载需要的 Python 库
安装 ARM GCC 编译器
安装 MAVProxy

这就是完整的环境配置流程了，但是在我这里安装 Python 库似乎有些问题，因为后面运行仿真的时候还是提示我缺少 Python 库，也包括 empy 。但是这些都不是问题，后面后动安装一下就可以了，后面我们再看。

除了这个脚本，还有一个叫 install-prereqs-windows-andAPMSource.ps1 的脚本，它除了安装依赖环境外，还会帮你下载一份 ardupilot 源码。

#Powershell script to download and configure the APM SITL environment

Import-Module BitsTransfer

Write-Output "Starting Downloads"

Write-Output "Downloading MAVProxy (1/8)"
Start-BitsTransfer -Source "https://firmware.ardupilot.org/Tools/MAVProxy/MAVProxySetup-latest.exe" -Destination "$PSScriptRoot\MAVProxySetup-latest.exe"

Write-Output "Downloading Cygwin x64 (2/8)"
Start-BitsTransfer -Source "https://cygwin.com/setup-x86_64.exe" -Destination "$PSScriptRoot\setup-x86_64.exe"

Write-Output "Downloading ARM GCC Compiler 10-2020-Q4-Major (3/8)"
Start-BitsTransfer -Source "https://firmware.ardupilot.org/Tools/STM32-tools/gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-win32.exe" -Destination "$PSScriptRoot\gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-win32.exe"

Write-Output "Installing Cygwin x64 (4/8)"
Start-Process -wait -FilePath $PSScriptRoot\setup-x86_64.exe -ArgumentList "--root=C:\cygwin64 --no-startmenu --local-package-dir=$env:USERPROFILE\Downloads --site=http://cygwin.mirror.constant.com --packages autoconf,automake,ccache,cygwin32-gcc-g++,gcc-g++=7.4.0-1,libgcc1=7.4.0.1,gcc-core=7.4.0-1,git,libtool,make,gawk,libexpat-devel,libxml2-devel,python37,python37-future,python37-lxml,python37-pip,libxslt-devel,python37-devel,procps-ng,zip,gdb,ddd --quiet-mode"

Write-Output "Downloading extra Python packages (5/8)"
Start-Process -wait -FilePath "C:\cygwin64\bin\bash" -ArgumentList "--login -i -c 'python3.7 -m pip install empy==3.3.4 pyserial pymavlink intelhex dronecan pexpect'"

Write-Output "Downloading APM source (6/8)"
Copy-Item "APM_install.sh" -Destination "C:\cygwin64\home"
Start-Process -wait -FilePath "C:\cygwin64\bin\bash" -ArgumentList "--login -i -c ../APM_install.sh"

Write-Output "Installing ARM GCC Compiler 10-2020-Q4-Major (7/8)"
& $PSScriptRoot\gcc-arm-none-eabi-10-2020-q4-major-win32.exe /S /P /R

Write-Output "Installing MAVProxy (8/8)"
& $PSScriptRoot\MAVProxySetup-latest.exe /SILENT | Out-Null

Write-Host "Finished. Press any key to continue ..."
$x = $host.UI.RawUI.ReadKey("NoEcho,IncludeKeyDown")

可以看到这里一共是 8 个步骤，多了第 6 步下载 APM 源码。它最后执行的是 APM_install.sh 这个脚本，它和 install-prereqs-windows-andAPMSource.ps1 在同一个目录下，我们看下它的内容：

#!/usr/bin/env bash

#A simple script to install the APM SITL environment into cygwin

git clone git://github.com/ArduPilot/ardupilot.git
cd ./ardupilot
git submodule update --init --recursive
./modules/waf/waf-light configure --board=sitl

其实就是我们第一步执行的下载源码的命令，但是这里它多了一步 ./modules/waf/waf-light configure --board=sitl ，在我的配置过程中没有手动执行过这个命令，但是我也成功了。

运行这两个脚本的任何一个都行，如果图省事可以运行 install-prereqs-windows-andAPMSource.ps1 一次把环境和源码都弄好。如果你的 Github 连接不稳定，或者你想自己决定源码放在哪里，可以执行 install-prereqs-windows.ps1 只安装依赖，然后自己下载源码。

因为我一开始不知道，所以执行的是 install-prereqs-windows.ps1 ，只安装了环境，所以下一步我就需要再下载一遍源码。

PS E:\project\c\ardupilot> .\Tools\environment_install\install-prereqs-windows.ps1
Starting Downloads
Downloading MAVProxy (1/7)
Downloading Cygwin x64 (2/7)
Downloading ARM GCC Compiler 10-2020-Q4-Major (3/7)
Installing Cygwin x64 (4/7)
User has NO backup/restore rights
User has NO symlink creation right
note: Hand installation over to elevated child process.
Downloading extra Python packages (5/7)
Installing ARM GCC Compiler 10-2020-Q4-Major (6/7)
Installing MAVProxy (7/7)
Finished. Press any key to continue ...

这个脚本执行需要一点时间，安装成功后，会提示我们按任意键结束。

第三步：打开Cygwin下载APM源码(可选)

在桌面上找到 Cygwin64 Terminal 图标，双击打开，或者按 win 键搜索一下打开。Cygwin 是 Windows 上的一个 Linux 终端模拟器，在这里我们可以执行 Linux shell 命令。

为什么我在这里又下载了一遍源码呢？因为当时我不知道怎么在 Cygwin 上访问 Windows 的文件系统，所以又在 Cygwin 上下载了一份源码。

$ git clone https://github.com/ArduPilot/ardupilot
$ cd ardupilot/
$ git submodule update --init --recursive

Windows 上的文件系统挂载在 Cygwin 的 cygdrive 目录下，比如我的代码放在 E:\project\c\ardupilot 目录下，那么在 Cygwin 上就是 /cygdrive/e/project/c/ardupilot 。如果在第一步已经下载了完整的源码，那么这里应该是可以直接用的，不用再重新下载，虽未亲测，但推测可行。

第四步：启动模拟

在开始之前我们要选择要模拟的载具，然后切换到相应的目录下执行 Tools/autotest/sim_vehicle.py 文件。比如我要模拟的是 ArduCopter，那么就执行：

$ cd ArduCopter
$ ../Tools/autotest/sim_vehicle.py  --map --console

这里我出现了缺少 Python 包的问题，一共是3个： pexpect ， empy 和 future 。这里直接看错误提示跟着把缺少的包装上就可以了，因为我不确定是不是大家都是缺这3个库，所以也不推荐大家在这里先把这3个库装一遍。
在这里插入图片描述

pexpect 和 future 都是用 pip3 install 直接安装就行。