Quadcopter - ROS2四旋翼飞行控制系统

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一个基于ROS2的四旋翼无人机飞行控制系统，集成了视觉识别、路径规划、状态机控制等功能。支持C++、Python和Rust多语言开发。

📑 目录

项目概述
系统架构
功能特性
环境要求
安装指南
包说明
快速开始
开发文档
项目结构
贡献指南

🎯 项目概述

本项目是一个完整的四旋翼无人机飞行控制系统，致力于打造最优秀的开源飞控库。系统集成了以下核心技术栈：

ROS2 Humble: 机器人操作系统框架
MAVROS2: MAVLink通信协议支持
OpenCV: 计算机视觉处理
PCL: 点云处理
RealSense: 深度相机支持
多语言支持: C++、Python、Rust

🏗️ 系统架构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      Quadcopter System                      │
├──────────────┬──────────────┬──────────────┬───────────────┤
│ core (C++旧) │ core_2026    │  core_rs     │  vision_py    │
│ 飞行控制      │ 重构分层架构  │  (Rust版)    │  视觉识别      │
│ 状态管理      │ 见下方架构图  │  高性能控制  │  图像处理      │
├──────────────┴──────────────┴──────────────┴───────────────┤
│                  ROS2 Communication Layer                   │
│              (Topics, Services, Parameters)                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      MAVROS Interface                       │
│                     (MAVLink Protocol)                      │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      Flight Controller                      │
│                        (PX4/ArduPilot)                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

core_2026 内部分层架构

┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│  layer4_system/   系统编排层                          │
│  DroneSystem · 生命周期管理 · pre_flight_checks()     │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│  layer3_mission/  任务执行层                          │
│  MissionExecutor · enum class 状态机                 │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│  layer2_control/  飞行控制层                          │
│  FlightController · PidController（可配置增益）       │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│  layer1_hal/      硬件抽象层                          │
│  DroneHAL（唯一 ROS2 Node）                           │
│  IStateProvider · ICommandPublisher · IVisionProvider │
├──────────────────────────────────────────────────────┤
│  layer0_common/   公共数据类型层                      │
│  DroneState · Target · Velocity · Path               │
└──────────────────────────────────────────────────────┘

✨ 功能特性

核心功能

✅ 自主飞行控制: 基于位置和速度的精确控制
✅ 路径规划: 支持航点任务和轨迹跟踪
✅ 有限状态机: 完整的飞行状态管理
✅ 视觉识别: 目标检测、跟踪和定位
✅ 实时避障: 基于深度相机的障碍物检测

高级特性

🔄 混合语言开发: C++、Python、Rust协同工作
🚀 高性能: Rust实现的关键控制模块
📷 视觉伺服: 基于视觉的精确定位和跟踪
🎯 二维码识别: 自动识别和定位二维码
📊 数据可视化: RViz集成和实时监控

💻 环境要求

操作系统

Ubuntu 20.04 LTS -> 22.04 LTS（推荐）

软件依赖

ROS2 Humble
Rust (stable)
Python 3.8+
OpenCV 4.x
PCL 1.10+
RealSense SDK 2.x

硬件要求

支持MAVROS的飞控（PX4/ArduPilot）
RealSense深度相机（可选）
GPS模块（可选）

📥 安装指南

1. 安装ROS2 Humble

# 使用鱼香ROS一键安装（推荐新手）
wget http://fishros.com/install -O fishros && bash fishros

# 或访问官网手动安装
# https://docs.ros.org/en/humble/Installation.html

2. 安装Rust环境

# 安装Rust
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
source $HOME/.cargo/env

# 安装cargo-ament-build插件
cargo install --debug cargo-ament-build

3. 安装Python依赖

# 安装colcon插件
pip install git+https://github.com/colcon/colcon-cargo.git
pip install git+https://github.com/colcon/colcon-ros-cargo.git

# 安装其他依赖
sudo apt install -y git libclang-dev python3-pip python3-vcstool

4. 安装MAVROS

sudo apt install ros-humble-mavros ros-humble-mavros-extras
# 安装GeographicLib数据集
wget https://raw.githubusercontent.com/mavlink/mavros/master/mavros/scripts/install_geographiclib_datasets.sh
chmod +x install_geographiclib_datasets.sh
sudo ./install_geographiclib_datasets.sh

5. 克隆并编译项目

# 克隆项目
git clone <repository-url> ~/ros2/quadcopter
cd ~/ros2/quadcopter

# 编译项目（首次编译）
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build

# 使用符号链接安装（开发模式，推荐）
colcon build --symlink-install

# 编译特定包
colcon build --packages-select core_rs

6. 配置环境

# 添加到~/.bashrc
echo "source ~/ros2/quadcopter/install/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

📦 包说明

core

语言: C++
功能: 核心飞行控制模块（原始版本，功能可用）

飞行器状态管理
基础控制算法
ROS2接口封装

⚠️ 已被 core_2026 重构替代，建议新开发基于 core_2026。

依赖:

rclcpp
geometry_msgs
nav_msgs
mavros_msgs

core_2026

语言: C++17及以上功能: 核心飞行控制模块（重构版，分层解耦架构）

采用 5层架构 + SOLID 原则 完全重构，保留 core 全部功能，同时解决原版耦合问题：

层	目录	职责
0	`layer0_common/`	纯数据类型，无 ROS 依赖
1	`layer1_hal/`	硬件抽象，唯一 ROS2 Node，含接口定义
2	`layer2_control/`	飞行控制器 + 独立可配置 PID
3	`layer3_mission/`	任务状态机，enum class 驱动
4	`layer4_system/`	系统编排，生命周期管理

主要特性:

DroneHAL 是唯一 rclcpp::Node，所有通信集中管理，回调有 std::mutex 保护
FlightController 不继承 Node，通过 IStateProvider / ICommandPublisher 接口注入
PidController 独立类，增益可运行时热更新，可独立单元测试
MissionExecutor 枚举状态机，每状态独立方法

可执行节点:

quad_node: 完整飞行控制系统

依赖:

rclcpp, geometry_msgs, nav_msgs, mavros_msgs, ros2_tools, vision_py

详细改进说明: 见 core_2026/REFACTOR.md

core_rs

语言: Rust
功能: 高性能飞行控制器

飞行控制器 (FlightController)
有限状态机 (FSM)
轨迹规划 (Trajectory)
四旋翼实体 (Quadcopter)

主要特性:

异步/同步飞行控制
精确位置控制
速度控制和航点跟踪
视觉引导飞行

依赖:

rclrs，std_msgs，geometry_msgs，mavros_msgs，cv_tools

cv_tools

语言: C++ 功能: 计算机视觉工具库

自定义消息定义
视觉数据接口
RealSense相机支持

依赖:

sensor_msgs，cv_bridge，OpenCV，RealSense2

vision_py

语言: Python 功能: 视觉识别和图像处理

目标检测
颜色识别
深度估计
二维码识别

可执行节点:

ball_calibration: 球体颜色校准
ball_depth: 球体深度估计
d_ballposition: 球体位置检测

ros2_tools

语言: C++
功能: ROS2通用工具和消息定义

自定义消息类型
通用服务接口
工具函数库

messages

功能: 自定义消息和服务定义

飞行控制消息
视觉数据消息
系统状态消息

🚀 快速开始

启动飞行控制系统

# 终端1: 启动MAVROS
ros2 launch mavros px4.launch

# 终端2: 启动核心控制节点
ros2 run core_rs core_rs

# 终端3: 启动视觉节点
ros2 run vision_py ball_depth

使用Launch文件

# 启动完整系统
ros2 launch core_rs core.py

测试基本功能

# 检查节点状态
ros2 node list

# 查看话题
ros2 topic list

# 查看消息类型
ros2 interface show cv_tools/msg/Vision

# 发送测试命令
ros2 topic pub /cmd_vel geometry_msgs/Twist "..."

📚 开发文档

详细文档请参考 doc/ 目录：

1.安装指南.md - ROS2 Rust详细安装步骤
2.ros2_rust指南.md - Rust开发指南
3.编写第一个节点.md - 节点开发教程
4.开始写一个话题.md - 话题通信教程
ros2.md - ROS2常用命令和技巧

常用命令

# 清理构建文件
rm -rf build/ install/ log/

# 编译单个包
colcon build --packages-select <package_name>

# 查看包列表
ros2 pkg list | grep <keyword>

# 查看消息/服务类型
ros2 interface show <msg_type>

# 运行时使用符号链接（开发推荐）
colcon build --symlink-install

📂 项目结构

quadcopter/
├── README.md                 # 本文档
├── .gitignore               # Git忽略配置
├── build/                   # 编译输出（自动生成）
├── install/                 # 安装文件（自动生成）
├── log/                     # 日志文件（自动生成）
│
├── core/                    # C++核心控制包（原始版）
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── package.xml
│   ├── launch/
│   └── src/classes/
│
├── core_2026/               # C++核心控制包（重构版，推荐）
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── package.xml
│   ├── REFACTOR.md          # 详细重构说明
│   ├── launch/
│   └── src/
│       ├── main.cpp
│       ├── layer0_common/   # 公共数据类型（无 ROS 依赖）
│       ├── layer1_hal/      # 硬件抽象层（唯一 ROS2 Node）
│       ├── layer2_control/  # 飞行控制 + PID
│       ├── layer3_mission/  # 任务状态机
│       └── layer4_system/   # 系统编排
│
├── core_rs/                 # Rust核心控制包
│   ├── Cargo.toml
│   ├── package.xml
│   ├── launch/              # Launch文件
│   ├── src/                 # 源代码
│   │   ├── main.rs         # 主程序
│   │   ├── quadcopter.rs   # 四旋翼实体
│   │   ├── flight_controller.rs  # 飞行控制器
│   │   ├── fsm/            # 有限状态机
│   │   └── trajectory/     # 轨迹规划
│   └── target/             # Rust编译输出
│
├── cv_tools/               # 视觉工具包
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── package.xml
│   ├── include/            # 头文件
│   ├── msg/                # 消息定义
│   └── src/                # 源代码
│
├── vision_py/              # Python视觉识别包
│   ├── package.xml
│   ├── setup.py
│   ├── setup.cfg
│   ├── msg/                # 消息定义
│   └── scripts/            # Python脚本
│
├── ros2_tools/             # ROS2工具包
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── package.xml
│   ├── msg/                # 消息定义
│   └── src/                # 源代码
│
├── messages/               # 自定义消息包
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── package.xml
│   └── msg/                # 消息定义
│
├── vision/                 # 视觉算法库
├── yolip/                  # YOLO相关
│
└── doc/                    # 文档目录
    ├── 1.安装指南.md
    ├── 2.ros2_rust指南.md
    ├── 3.编写第一个节点.md
    ├── 4.开始写一个话题.md
    └── ros2.md

🔧 开发提示

符号链接 vs 常规安装

# 开发模式 - 修改源码后无需重新构建Python和launch文件
colcon build --symlink-install

# 发布模式 - 完整拷贝所有文件
colcon build

🤝 贡献指南

欢迎贡献代码、报告问题或提出建议！

Fork本仓库
创建特性分支 (git checkout -b feature/AmazingFeature)
提交更改 (git commit -m 'Add some AmazingFeature')
推送到分支 (git push origin feature/AmazingFeature)
开启Pull Request

代码规范

C++: 遵循ROS2代码风格
Python: PEP 8
Rust: rustfmt 格式化

📄 许可证

TODO: 添加许可证信息

👤 维护者

Hiromichi123
Email: 2271612727@qq.com

🙏 致谢

ROS2社区
ros2-rustk项目
PX4、MAVROS团队
所有贡献者

📮 联系方式

如有问题或建议，请通过以下方式联系：

提交Issue
发送邮件至: 2271612727@qq.com

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Latest commit History 51 Commits
core_2026		core_2026
core_rs		core_rs
cv_tools		cv_tools
doc		doc
messages		messages
ros2_tools		ros2_tools
vision_py		vision_py
vision_rs		vision_rs
yolip		yolip
.gitignore		.gitignore
README.en.md		README.en.md
README.md		README.md

Folders and files

Latest commit

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🏗️ 系统架构

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✨ 功能特性

核心功能

高级特性

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硬件要求

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2. 安装Rust环境

3. 安装Python依赖

4. 安装MAVROS

5. 克隆并编译项目

6. 配置环境

📦 包说明

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core_2026

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cv_tools

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ros2_tools

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