ArduPilot SITLをラズパイ4で動かそう

(2024年1月18日追記)
64bit版Raspberry Pi OSは Bullseye版を使ってください。
最新のBookwarm版は初回起動直後の状態では、ardupilotのインストールシェルファイルでのインストールに失敗します。
これは最新のPython3が、PEP668に従ってvenv環境を作っていない状態でのpipのインストールを拒否するようになったためです。
Legacyの方に残っているBullseye版であれば、このルールが無いのでインストールに成功します。

そりゃライブラリのバージョンに厳密な機械学習(AI)はvenvの切り替えも必要になるけど、それはGPU挿したガチのPCの話だよなあ。
Raspberry Piって１つの機能で１台って使い方が多いから、venvなんか使わなくても良いんだけどなあ。。。

(2023年7月29日追記)
Ubuntu Serverでなくても、64bit版Raspberry Pi OS Bullseyeでも問題なくArduPilot SITLがインストールできました。
その場合、Ubuntu関連の話は飛ばして、aptの更新 から進めてもらえば大丈夫です。

はじめに

オープンソースのフライトコントローラ「ArduPilot」には，シミュレーション環境としてSITL(Software in the Loop)があります．
本ページでは,これを「Ardupilot-SITL」と呼んで記事を書いていこうと思います．

以前，

　ArduPilotのSITLを動かす

で，SITLのインストール方法を説明しました．
このシミュレーション機能を使えば，

・Pixhawk系フライトコントローラに自作で追加した機能をテストする．（ファームウェアの改造）
・ドローン輸送などのプログラムの動作テストをする．（コンパニオンＰＣのプログラム）
・群飛行などの複数同時飛行のテストをする．（地上の管制プログラム）

など，実機で試す前に様々な仮想実験が行えます．

ところが，Ardupilot-SITLは，インテル系のCPUを持ち，64bitのＯＳが入ったＰＣでしか動作できませんでした．
実質「Linux用のデスクトップＰＣを別途１台準備しろ」と言われている様なものです．
余ったＰＣがある人でないといけない，というのが辛いところでした（泣）

しかし，最近Raspberry Pi用のＯＳが64bitに対応しました．
ということは「Ardupilot-SITLがラズパイで動くのでは？」と期待してしまいますよね．
ところが，公式ページそのままの手順ではインストールできませんでした．．．

本ページでは，ラズパイ４にArdupilot-SITLをインストールする手順を解説します．

概要

公式ページ　SITL Simulator (Software in the Loop)
にインストールの方法が記載されているので，基本的にはこの手順で行いますが，
2020年7月の現時点では依存しているライブラリ"pygame"のインストールでトラブること確認しています．

というわけで，以前のページ　にラズパイ対策として必要な部分を記載します．

準備するもの

・Raspberry Pi 4 (メモリ4GB版)
　　dronekit-sitlは「x86系のみ，ARM系非サポート」と明記されていましたが,
　　Ardupilot-SITLはARM系でも大丈夫！

・動作確認済みＯＳ：　Ubuntu Server 18.04.4 arm64版
　　このページ　で「Download 64bit」をクリック

・有線LAN
　　Ubuntu ServerはGUIの無いコマンドライン版なので，WiFi設定などが大変．
　　なので最初は有線LANでアップデートやソフトウェアインストールをします．

初期設定の参考ページ

・[Raspberry Pi 4にUbuntu Serverを入れて初期設定をするまで]
(https://qiita.com/quailDegu/items/63114ba1e14416df8040)
　　イメージのダウンロード，SDカードへの書き込み，WiFi設定，初回ログインあたりまでが参考になります．

・Raspberry Pi 4とUbuntu Server+デスクトップのインストール
・Raspberry Pi 4にUbuntu MATEをインストールしてみた
　　コマンドラインしかないUbuntu Serverにデスクトップ環境をインストールする方法です．
　　xfce，lxde，KDE，MATEのお好きなものをどうぞ．
　　「シミュレーション環境にはデスクトップなぞいらん！」という猛者には必要ない作業です．
　　WiFiの設定はデスクトップ環境が入ってからでも良いよね～という弱者の筆者(^^;;

初回起動時

初回起動時は，

初回起動時

Ubuntu 18.04.4 LTS ubuntu tty1

ubuntu login:

この様に表示されるので，
ユーザ名：ubuntu
パスワード：ubuntu
でログインしてください．
※cloud-initの出力メッセージがloginに被ってきて非常に邪魔(怒)ですが，どうしようもないので，「いないもの」と見なしてIDとパスを打ち込みましょう．

ログインすると，
「パスワードを変更しろ」と言ってくるので，
まずは現在(current)のパスワードubuntuを入力し，

初回ログイン時のパスワード変更要求

You are required to change your password immediately (root enforced)
Changing password for ubuntu.
(current) UNIX password:

続いて新しいパスワードを２回打ち込みます．

新しいパスワードの入力を２回

Enter new UNIX password:
Retype new UNIX password:

すると，色々メッセージが出た後にプロンプト($)が出ます．

プロンプトが出たらログイン完了

ubuntu@ubuntu:~$ 

これでログイン完了です．

以降の作業のために，ラズパイが有線LANでインターネット接続できるようになっていることを確認しておきましょう．

また，コンソールで手打ちでコマンドを打ち込むのが嫌な場合，
この時点でデスクトップ環境をインストールしておくことをオススメします．
Webブラウザをインストールすれば，本ページを見ながらコピー＆ペーストで作業ができますね(^^

aptの更新

まずはaptのリポジトリのリストを最新のものに更新(update)し，
更新のあるものをupgradeします．

システムの更新

sudo apt update
sudo apt upgrade -y

初回なので，100個以上のアップデートがあります．
コーヒーでも飲んでゆっくり待ちましょう(^^

gitのインストール

もし，gitがインストールされていなかったら，インストールします．
（確か既にインストールされていたはず）

gitのインストール

sudo apt install git

Ardupilotのクローン

ホームフォルダにArdupilot本体をクローン（コピーダウンロード）します．
また，必要なサブモジュール(mavlinkやChibiOS,wafなど)もダウンロードしておきます．

Ardupilotのクローン

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

必要なパッケージのインストール

インテルＰＣだと，ここでインストール用のシェルファイルinstall-prereqs-ubuntu.shを実行するのですが，"pygame"のインストール中にエラーで落ちます．

なので，予め手作業でpygameをインストールしておきます．

pygameのインストール

pygameのインストールに必要なパッケージを手入力でインストールします．

pygameのインストールに必要なパッケージのインストール

sudo apt install python-dev libsdl-image1.2-dev libsdl-mixer1.2-dev libsdl-ttf2.0-dev libsdl1.2-dev libsmpeg-dev libportmidi-dev ffmpeg libswscale-dev libavformat-dev libavcodec-dev libfreetype6-dev

たくさんあるので，手打ちすると大変ですね．
冗長なパッケージもあるかもしれませんが，これだけ入れておけばエラーは発生しません．

インストールシェルを実行

gitでcloneしたフォルダの中に，ビルドに必要な依存パッケージをインストールしてくれるシェルファイルがあるので，実行します．
(sudoを使うので，途中でパスワードを聞かれることがあります．)

依存関係のインストールシェルを実行

~/ardupilot/Tools/environment_install/install-prereqs-ubuntu.sh -y

プロンプトに戻って来たら，インストール完了です．
一応ですが，ラズパイを再起動しておきましょう．
色々インストールしてゴチャゴチャなので．

reboot

SITLのビルド＆簡易実行

これ以降の作業は，以前のページと同様なので，
　　SITL Simulatorのビルド＆簡易実行
へ移動してください．

wafのビルドは，ラズパイ４の冷却が適切でないと温度警告がでますよ～(-_-;

おわりに

Arupilot-SITLをラズパイ４で走らせる方法を解説しました．

この環境でdronekit-pythonもテストしたくなってしまいますが、
筆者がよく使うパターンでは、ラズパイを２台用意して、以下のように接続しています

SITLラズパイ(ドローン本体)<-- 有線LANで接続 --> コンパニオンのラズパイ(dronekit-python環境)

としています。
こうすれば、コンパニオンのラズパイは、シミュレーターであるSITLへの接続から、実機のArdupilot系フライトコントローラへの接続に切り替えるだけでどちらも動かせるので、便利です。

Cube RedやCUAV 7 nano、Holybro Pixhawk 6XなどはEthernetのポートも備えているので、コンパニオンとの接続もほぼ同じになりますね。