无人机 | MAVROS安装与基础知识梳理(附ROS C++仿真案例)

本文全面梳理无人机MAVROS从安装到应用的基础知识，并提供简单的基于MAVROS无人机控制的案例

Mr.Winter`

3478人浏览 · 2025-09-23 09:16:29

Mr.Winter` · 2025-09-23 09:16:29 发布

1 MAVROS简介

MAVROS 是无人机开发中连接机器人操作系统（ROS）与飞控系统的关键中间件，通过标准化通信协议实现ROS节点与无人机的交互。它基于MAVLink（Micro Air Vehicle Link） 轻量级通信协议，为ROS生态提供了与飞控（如Pixhawk、ArduPilot、PX4等）通信的统一接口，使开发者无需深入理解底层飞控协议，即可直接调用ROS的丰富工具链（如RViz可视化、Gazebo仿真、导航栈）快速搭建无人机任务，推动了无人机应用的灵活开发与高效迭代

MAVROS的核心功能包括双向数据传输：一方面，它订阅飞控的传感器数据（如IMU、GPS、电池状态）并发布至ROS话题，供导航、感知等模块使用；另一方面，它接收ROS服务或动作指令（如起飞、降落、位姿控制），转换为MAVLink消息发送至飞控执行。此外，MAVROS支持多种通信接口（串口、UDP、TCP），适配不同硬件场景，并提供参数配置服务，允许动态读写飞控参数（如PID调参、飞行模式切换）。

在这里插入图片描述

2 MAVROS安装

通过以下命令安装MAVROS

sudo apt-get install ros-noetic-mavros
sudo apt install ros-noetic-mavros-extras

GeographicLib是一个开源的地理计算库，专门用于处理地球表面的高精度地理坐标计算，例如：

经纬度与局部坐标系（如北东地坐标系，ENU）的转换
地理坐标系之间的转换（如 WGS84 到 UTM）
地球椭球模型下的距离、方位角、高程计算
大地水准面（Geoid）的高度校正

MAVROS在处理无人机导航和地理空间数据时需要依赖GeographicLib提供的高精度地理计算功能，因此GeographicLib

wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
sudo chmod +x ./install_geographiclib_datasets.sh
sudo ./install_geographiclib_datasets.sh

3 MAVROS基础知识

3.1 MAVROS坐标系

MAVROS中涉及到以下坐标系：

global系：一般由GPS定义，例如经纬高坐标系（WGS84）
local系：
- ROS端：采用ENU坐标系，一般是由MAVROS发布的map坐标系，其坐标原点是MAVROS收到里程计信息时飞控所在的位置，并规定x轴朝东、y轴朝北、z轴朝天，此时机体方向朝东；
- 飞控端：PX4/ArduPilot等内部使用，采用NED坐标系；
body系：
- ROS端：采用FLU坐标系，即前左上，一般是由MAVROS发布的base_link坐标系
- 飞控端：采用FRD坐标系，即前右下

具体关系如下图所示
在这里插入图片描述

以下面的场景为实例，map系和Gazebo里的坐标系方向一致。机身前方定义为东，即map系的x轴正方向，机身前进方向同时为base_link系的x轴正方向。所以从方向来看，ROS端的map系和base_link系一致

在这里插入图片描述

3.2 MAVROS常用话题

3.2.1 `/mavros/state`

功能：订阅MAVROS的状态数据，如连接状态、是否解锁、当前无人机模式等

数据类型：mavros_msgs/State

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
bool connected
bool armed
bool guided
bool manual_input
string mode
uint8 system_status

参数说明：
- connected：检测无人机与地面站的物理连接状态
- armed：监控无人机电机是否解锁，只有armed=true时表示电机已解锁，无人机可飞行
- mode：常用模式有：
  - MANUAL：完全手动模式
  - POSCTL：位置控制模式
  - ALTCTL：高度控制模式
  - OFFBOARD：板外模式，ROS主机控制无人机需要切换到这个模式
  - MISSION：自动任务模式
  - LOITER：自动悬停模式
  - RTL：自动返航模式
  - LAND：自动降落模式
  - TAKEOFF：自动起飞模式
- manual_input：检测是否有人工遥控器输入
- system_status：无人机整体系统状态，分为未初始化、系统启动中、待机模式、任务执行中和紧急状态

3.2.2 `/mavros/setpoint_position/local`

功能：定点飞行

数据类型：geometry_msgs/PoseStamped

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
geometry_msgs/Pose pose
  geometry_msgs/Point position
    float64 x
    float64 y
    float64 z
  geometry_msgs/Quaternion orientation
    float64 x
    float64 y
    float64 z
    float64 w

参数说明：只有position生效，不控制姿态orientation。position是相对于ROS端local坐标系的坐标

3.2.3 `/mavros/local_position/odom`

功能：提供无人机在ROS端坐标系的位姿和速度里程计信息

数据类型：nav_msgs/Odometry

std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id       
string child_frame_id 
geometry_msgs/PoseWithCovariance pose
  geometry_msgs/Pose pose
    geometry_msgs/Point position
      float64 x         
      float64 y      
      float64 z        
    geometry_msgs/Quaternion orientation
      float64 x       
      float64 y       
      float64 z       
      float64 w         
  float64[36] covariance 
geometry_msgs/TwistWithCovariance twist
  geometry_msgs/Twist twist
    geometry_msgs/Vector3 linear
      float64 x         
      float64 y       
      float64 z     
    geometry_msgs/Vector3 angular
      float64 x        
      float64 y        
      float64 z    
  float64[36] covariance

参数说明：位姿信息是相对于ROS端local坐标系的坐标，速度信息是是相对于ROS端body坐标系的坐标

3.2.4 `/mavros/setpoint_raw/local`

功能：主要用于设置无人机各轴的加速度或推力

数据类型：mavros_msgs::PositionTarget

std_msgs/Header header

uint8 coordinate_frame
	uint8 FRAME_LOCAL_NED = 1
	uint8 FRAME_LOCAL_OFFSET_NED = 7
	uint8 FRAME_BODY_NED = 8
	uint8 FRAME_BODY_OFFSET_NED = 9

uint16 type_mask
	uint16 IGNORE_PX = 1 # Position ignore flags
	uint16 IGNORE_PY = 2
	uint16 IGNORE_PZ = 4
	uint16 IGNORE_VX = 8 # Velocity vector ignore flags
	uint16 IGNORE_VY = 16
	uint16 IGNORE_VZ = 32
	uint16 IGNORE_AFX = 64 # Acceleration/Force vector ignore flags
	uint16 IGNORE_AFY = 128
	uint16 IGNORE_AFZ = 256
	uint16 FORCE = 512 # Force in af vector flag
	uint16 IGNORE_YAW = 1024
	uint16 IGNORE_YAW_RATE = 2048

geometry_msgs/Point position
geometry_msgs/Vector3 velocity
geometry_msgs/Vector3 acceleration_or_force
float32 yaw
float32 yaw_rate

参数说明：
- coordinate_frame：飞控端采用的坐标系，一般设置为FRAME_LOCAL_NED，但是该话题数据都是在ROS端坐标系下，MAVROS会自动进行一次坐标变换
- type_mask：类型掩码，例如只控制加速度需要将位置、速度、角速度等标志为置为忽略

3.2.5 `/mavros/setpoint_raw/attitude`

功能：用于设置无人机的姿态、推力和各轴角速度

数据类型：mavros_msgs::AttitudeTarget

std_msgs/Header header

uint8 type_mask
	uint8 IGNORE_ROLL_RATE = 1 # body_rate.x
	uint8 IGNORE_PITCH_RATE = 2 # body_rate.y
	uint8 IGNORE_YAW_RATE = 4 # body_rate.z
	uint8 IGNORE_THRUST = 64
	uint8 IGNORE_ATTITUDE = 128 # orientation field

geometry_msgs/Quaternion orientation
geometry_msgs/Vector3 body_rate
float32 thrust

3.3 MAVROS常用服务

3.3.1 `/mavros/cmd/arming`

功能：用于设置无人机的上锁或解锁状态

数据类型：mavros_msgs/CommandBool

bool value // true解锁,false上锁
---
bool success
uint8 result

3.3.2 `/mavros/set_mode`

功能：用于设置无人机飞控的飞行模式

数据类型：mavros_msgs/SetMode

string custom_mode
	uint8 base_mode
	uint8 MAV_MODE_PREFLIGHT=0
	uint8 MAV_MODE_STABILIZE_DISARMED=80
	uint8 MAV_MODE_STABILIZE_ARMED=208
	uint8 MAV_MODE_MANUAL_DISARMED=64
	uint8 MAV_MODE_MANUAL_ARMED=192
	uint8 MAV_MODE_GUIDED_DISARMED=88
	uint8 MAV_MODE_GUIDED_ARMED=216
	uint8 MAV_MODE_AUTO_DISARMED=92
	uint8 MAV_MODE_AUTO_ARMED=220
	uint8 MAV_MODE_TEST_DISARMED=66
	uint8 MAV_MODE_TEST_ARMED=194
---
bool mode_sent

参数说明：ROS端控制要切换到OFFBOARD模式

4 仿真案例

4.1 案例一：设置无人机板外模式并解锁

this->arm_client_ = this->nh_.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>("mavros/cmd/arming");
this->set_mode_client_ = this->nh_.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>("mavros/set_mode");

mavros_msgs::SetMode offboardMode;
offboardMode.request.custom_mode = "OFFBOARD";
mavros_msgs::CommandBool armCmd;
armCmd.request.value = true;
ros::Time lastRequest = ros::Time::now();
while (ros::ok())
{
	if (this->mavros_state_.mode != "OFFBOARD" && (ros::Time::now() - lastRequest > ros::Duration(5.0)))
	{
		if (this->set_mode_client_.call(offboardMode) && offboardMode.response.mode_sent)
		{
			cout << "Offboard mode enabled." << endl;
		}
		lastRequest = ros::Time::now();
	}
	else
	{
		if (!this->mavros_state_.armed && (ros::Time::now() - lastRequest > ros::Duration(5.0)))
		{
			if (this->arm_client_.call(armCmd) && armCmd.response.success)
			{
				cout << "Vehicle armed." << endl;
			}
			lastRequest = ros::Time::now();
		}
	}

	r.sleep();
}

4.2 案例二：无人机起飞到指定高度

假设要飞到1m的高度

this->position_pub_ = this->nh_.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>("/mavros/setpoint_position/local", 1000);
geometry_msgs::PoseStamped ps;
ps.header.frame_id = "map";
ps.header.stamp = ros::Time::now();
ps.pose.position.x = this->odom_.pose.pose.position.x;
ps.pose.position.y = this->odom_.pose.pose.position.y;
ps.pose.position.z = 1.0;
ps.pose.orientation = this->odom_.pose.pose.orientation;
this->position_pub_.publish(ps);

4.3 获取无人机位姿并更新状态

this->odom_sub_ = this->nh_.subscribe<nav_msgs::Odometry>("/mavros/local_position/odom", 1000, &flightBase::odomCB, this);

void flightBase::odomCB(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr &odom)
{
	this->odom_ = *odom;
	this->curr_position_(0) = this->odom_.pose.pose.position.x;
	this->curr_position_(1) = this->odom_.pose.pose.position.y;
	this->curr_position_(2) = this->odom_.pose.pose.position.z;
	Eigen::Vector3d curr_vel_body(this->odom_.twist.twist.linear.x, this->odom_.twist.twist.linear.y, this->odom_.twist.twist.linear.z);
	Eigen::Vector4d orientation_quat(this->odom_.pose.pose.orientation.w, this->odom_.pose.pose.orientation.x, this->odom_.pose.pose.orientation.y, this->odom_.pose.pose.orientation.z);
	Eigen::Matrix3d orientation_rot = quat2RotMatrix(orientation_quat);
	this->curr_vel_ = orientation_rot * curr_vel_body;
}

完整工程代码请联系下方博主名片获取

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