引言

之前一直想寫一篇關(guān)于ROS機(jī)器人建圖與導(dǎo)航仿真全過程的教程，終于有時(shí)間來做這個(gè)事啦，本人也拿過吉林省高校機(jī)器人大賽—ROS競速組的冠軍，第十六屆全國智能車比賽—訊飛餐廳組線上賽二等獎(jiǎng)，我想這個(gè)教程對接下來的一些參賽者多多少少也會(huì)有一些貢獻(xiàn)。

當(dāng)然我覺得你已經(jīng)會(huì)ROS的一些基本操作了，本文章只是簡單扼要的介紹這個(gè)過程，其中細(xì)節(jié)部分難免可能不會(huì)太詳細(xì)還請見諒，當(dāng)人后續(xù)也會(huì)有更多這方面的文章，也會(huì)傳授一些ROS機(jī)器人建圖與導(dǎo)航方面的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然我也在學(xué)習(xí)的過程，難免一些不足之處，話不多說啦，讓我先把這個(gè)全過程的思維導(dǎo)圖放在下面。

文章所用的代碼已經(jīng)開源：https://gitee.com/xiaolong_ROS/Map_construction-Navigation_simulation.git

一、環(huán)境

1.機(jī)器人建模

我個(gè)人習(xí)慣把機(jī)器人本體放在單獨(dú)的一個(gè)package下，讓我們先看看里面的所有東西。

可以看到這個(gè)機(jī)器人的URDF模型還有它所擁有的傳感器，相機(jī)、慣性測量單元、激光雷達(dá)。

我們對URDF文件進(jìn)行檢查，check_urdf命令會(huì)解析URDF文件，并且顯示解析過程中發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，如果一切正常，就會(huì)顯示如下信息：

當(dāng)然我們也可以在rviz中查看這個(gè)模型：

也可以看看機(jī)器人的TF關(guān)系：

2.運(yùn)動(dòng)控制器配置

接下來我們主要在gazebo環(huán)境下操作，我們再創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的package，同樣我們先看看完整的內(nèi)容：

我們在config下可以看到一個(gè)racecar_control.yaml文件：

racecar:


 left_rear_wheel_velocity_controller:
  type: effort_controllers/JointVelocityController
  joint: left_rear_axle
  pid: {p: 1000.0, i: 0.00, d: 0.0}




 right_rear_wheel_velocity_controller:
  type: effort_controllers/JointVelocityController
  joint: right_rear_axle 
  pid: {p: 1000.0, i: 0.00, d: 0.0}




 left_front_wheel_velocity_controller:
  type: effort_controllers/JointVelocityController
  joint: left_front_axle
  pid: {p: 1000.0, i: 0.00, d: 0.0}




 right_front_wheel_velocity_controller:
  type: effort_controllers/JointVelocityController
  joint: right_front_axle
  pid: {p: 1000.0, i: 0.00, d: 0.0}
  
 left_steering_hinge_position_controller:
  type: effort_controllers/JointPositionController
  joint: left_steering_joint
  pid: {p: 10000.0, i: 0.1, d: 500.0}
 
 right_steering_hinge_position_controller:
  type: effort_controllers/JointPositionController
  joint: right_steering_joint
  pid: {p: 10000.0, i: 0.1, d: 500.0}




 joint_state_controller:
  type: joint_state_controller/JointStateController
  publish_rate: 50

這個(gè)文件便定義了機(jī)器人所有的運(yùn)動(dòng)控制器以及參數(shù)，我們通過launch文件添加以下內(nèi)容便可以加載這些控制器：

3.world創(chuàng)建

world的創(chuàng)建方法有很多了，你可以自己畫一個(gè)世界，也可以導(dǎo)入，這里可以給大家安利另外一個(gè)仿真神器：Webots，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不一樣的東西。

給大家看看比賽的官方賽道吧，使用gazebo racecar_runway_original.world 打開：

4.launch文件啟動(dòng)并測試

我們先通過roslaunch racecar_gazebo racecar.launch 來打開小車所在的仿真環(huán)境：

我們可以看到racecar_gazebo/scripts下有一個(gè)XL_keyboard_remote.py的，我們可以通過rosrun racecar_gazebo XL_keyboard_remote.py運(yùn)行它，然后我們的機(jī)器人就可以前后左右移動(dòng)并且轉(zhuǎn)向啦（注意運(yùn)行之后彈出來的窗口需要鼠標(biāo)點(diǎn)擊一下再控制機(jī)器人）。

二、建圖

建圖的話我們以Gmapping算法功能包為例子進(jìn)行地圖構(gòu)建，當(dāng)然可以用其它的算法，比如：hector，cartographer等。

1.參數(shù)配置

首先我們創(chuàng)建一個(gè)gmapping.launch，這個(gè)主要是負(fù)責(zé)配置參數(shù)的：

然后我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)gmapping_demo.launch用來打開gazebo，rviz等并建圖：

代碼第一塊就是建圖參數(shù)的配置，第二塊就是打開之前的gazebo環(huán)境等，第三塊是打開鍵盤控制，第四塊是打開一個(gè)已經(jīng)配置好的rviz（配置的方法很簡單的，就是添加一些東西）。

2.launch文件啟動(dòng)并建圖

之所以創(chuàng)建一個(gè)gmapping_demo.launch是想直接啟動(dòng)一個(gè)launch就可以開始建圖，我們直接在終端輸入roslaunch racecar_gazebo racecar.launch就可以開始建圖啦：

建圖過程需要有耐心，最好速度不要太快，當(dāng)然不同的算法適應(yīng)性也不太一樣，我們可以看看建圖效果還是可以的：

最后建成的地圖我們需要及時(shí)保存。保存的地圖一共有兩個(gè)文件，map.pgm和map.yaml。

讓我們看一下建好的地圖效果還是蠻不錯(cuò)的：

三、導(dǎo)航

我們先來看一下導(dǎo)航的launch啟動(dòng)文件，第4行就是啟動(dòng)之前的launch文件；第6～8行是加載配置好的rviz；第10行是加載地圖；注意第13行，我們加載了一個(gè)amcl.xml文件，這個(gè)是我們配置的定位方法參數(shù)。

自主定位即機(jī)器人在任意狀態(tài)下都可以推算出自己在地圖中所處的位置，ROS為開發(fā)者提供了一種自適應(yīng)(或kld采樣)的蒙特卡羅定位方法(amcl)，這是一種概率統(tǒng)計(jì)方法，針對已有地圖使用粒子濾波器跟蹤一個(gè)機(jī)器人的姿態(tài)；第16～32行是導(dǎo)航需要的配置文件；第34行是一個(gè)導(dǎo)航腳本（自定義的一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)），初學(xué)者可以不用深究其內(nèi)容。

1.代價(jià)地圖的配置

導(dǎo)航功能包使用兩種代價(jià)地圖存儲(chǔ)周圍環(huán)境中的障礙信息：一種用于全局路徑規(guī)劃(global_costmap)，一種用于本地路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)避障(local_costmap)。

兩種代價(jià)地圖需要使用一些共用的或獨(dú)立的配置文件：通用配置文件、全局規(guī)劃配置文件和本地規(guī)劃配置文件。config/navigation下這三個(gè)文件分別與之對應(yīng)。

代價(jià)地圖用來存儲(chǔ)周圍環(huán)境的障礙信息，其中需要聲明地圖關(guān)注的機(jī)器人傳感器消息，以便于地圖信息的更新。

針對兩種代價(jià)地圖通用的配置選項(xiàng)，創(chuàng)建名為costmap_common_params.yaml的配置文件。全局規(guī)劃配置文件用于存儲(chǔ)配置全局代價(jià)地圖的參數(shù)，命名為global_costmap_params.yaml，本地規(guī)劃配置文件用來存儲(chǔ)本地代價(jià)地圖的配置參數(shù)，命名為local_costmap_params.yaml。

2.本地規(guī)劃器的配置

比賽一般都需要實(shí)時(shí)避障的，我們導(dǎo)航所用的地圖都是加上錐桶的，當(dāng)然我們在建圖的時(shí)候是不允許掃描錐桶的信息的，所以我們需要配置本地規(guī)劃器，我們通過gazebo racecar_runway.world 打開環(huán)境如下：

常用的本地規(guī)劃算法有TEB算法和DWA算法，這篇教程主要用的TEB算法，本地規(guī)劃器當(dāng)然也是用的TEB算法的參數(shù)，具體可以查看最后一個(gè)配置文件teb_local_planner_params.yaml。

3.launch文件啟動(dòng)并導(dǎo)航

我們通過roslaunch racecar_gazebo racecar_navigation.launch來開始導(dǎo)航前所有準(zhǔn)備工作：

通過rviz上2D Nav Goal來給機(jī)器人發(fā)布導(dǎo)航終點(diǎn)信息，可以看出機(jī)器人已經(jīng)開始實(shí)時(shí)掃描信息并規(guī)劃路徑向著終點(diǎn)出發(fā)啦：

我們可以通過rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree來查看導(dǎo)航過程中的TF樹：

也可以通過rosrun rqt_graph rqt_graph來查看導(dǎo)航過程中的各節(jié)點(diǎn)：

審核編輯：湯梓紅