本期通過(guò)對(duì)turtlebot的Kinect深度傳感器進(jìn)行地圖構(gòu)建，并通過(guò)路徑規(guī)劃完成自主導(dǎo)航。
ROS定位導(dǎo)航的框架圖如圖1所示：
圖1 ROS導(dǎo)航定位框架
其中move_base提供了ROS導(dǎo)航的配置、運(yùn) 行、交互接口，它主要包括兩個(gè)部分：
（1） 全局路徑規(guī)劃（global planner）：根據(jù)給定的目標(biāo)位置進(jìn)行總體路 徑的規(guī)劃；
（2） 本地實(shí)時(shí)規(guī)劃（local planner）：根據(jù)附近的障礙物進(jìn)行躲避路線 規(guī)劃。
1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
ROS中定義了MovebaseActionGoal數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)導(dǎo)航的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)，其中最重要的就是位置坐標(biāo)（position）和方向（orientation）
$ rosmsg show MovebaseActionGoal
顯示結(jié)果如下：
[move_base_msgs/MovebaseActionGoal]:
std_msgs/Header header
uint32 seq
time stamp
string frame_id
actionlib_msgs/GoalID goal_id
time stamp
string id
move_base_msgs/MovebaseGoal goal
geometry_msgs/PoseStamped target_pose
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
2.配置文件
move_base使用前需要配置一些參數(shù)：運(yùn)行成本、機(jī)器人半徑、到達(dá)目 標(biāo)位置的距離，機(jī)器人移動(dòng)的速度，這些參數(shù)都在rbx1_nav包的以下幾個(gè)配 置文件中：
l base_local_planner_params.yaml
l costmap_common_params.yaml
l global_costmap_params.yaml
l local_costmap_params.yaml
3.全局路徑規(guī)劃
在ROS的導(dǎo)航中，首先會(huì)通過(guò)全局路徑規(guī)劃，計(jì)算出機(jī)器人到目標(biāo)位置的全局路線。這一功能是navfn這個(gè)包實(shí)現(xiàn)的。navfn通過(guò)Dijkstra最優(yōu)路徑的算法，計(jì)算costmap上的最小花費(fèi)路徑，作為機(jī)器人的全局路線。將來(lái)在算法上應(yīng)該還會(huì)加入A*算法。
4.本地實(shí)時(shí)規(guī)劃（local planner）
本地實(shí)時(shí)規(guī)劃是利用base_local_planner包實(shí)現(xiàn)的。該包使用Trajectory Rollout 和Dynamic Window approaches算法計(jì)算機(jī)器人每個(gè)周期內(nèi)應(yīng)該行駛的速度和角度（dx，dy，dtheta velocities）。
base_local_planner這個(gè)包通過(guò)地圖數(shù)據(jù)，通過(guò)算法搜索到達(dá)目標(biāo)的多條 路經(jīng)，利用一些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（是否會(huì)撞擊障礙物，所需要的時(shí)間等等）選取最優(yōu) 的路徑，并且計(jì)算所需要的實(shí)時(shí)速度和角度。
其中，Trajectory Rollout 和Dynamic Window approaches算法主要思路如下：
（1）采樣機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)（dx,dy,dtheta）；
（2）針對(duì)每個(gè)采樣的速度，計(jì)算機(jī)器人以該速度行駛一段時(shí)間后的狀態(tài)，得出一條行駛的路線；
（3）利用一些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為多條路線打分；
（4）根據(jù)打分，選擇最優(yōu)路徑；
（5）重復(fù)上面過(guò)程。
5.ArbotiX仿真
安裝ArbotiX模擬器：
$ sudo aptitude install ros-indigo-arbotix –y
下載rbx1例子：
$ cd catkin_ws/src
$ git clone https://github.com/pirobot/rbx1.git
為了簡(jiǎn)化，我們暫時(shí)使用空白地圖（blank_map.pgm）在空地上進(jìn)行無(wú)障礙仿真。首先運(yùn)行ArbotiX節(jié)點(diǎn)，并且加載機(jī)器人的URDF文件：
$ roslaunch rbx1_bringup fake_turtlebot.launch
然后運(yùn)行move_base和加載空白地圖的launch文件（fake_move_bas
e_blank_map.launch）：
$ roslaunch rbx1_nav fake_move_base_blank_map.launch
該文件的具體內(nèi)容如下：
其中調(diào)用了fake_move_base.launch文件，是運(yùn)行move_base節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行參數(shù)配置。
然后調(diào)用rviz就可以看到機(jī)器人了（如圖2所示）：
$ rosrun rviz rviz –d ~/ catkin_ws /src/rbx1/rbx1_nav/nav_obstacles.rviz
圖2 使用Rviz進(jìn)行TurtleBot仿真
我們先以1m的速度進(jìn)行一下測(cè)試, 讓機(jī)器人前進(jìn)一米：
$ rostopic pub /move_base_simple/goal geometry_msgs/PoseStamped '{header: {frame_id:"base_link"},pose:{position:{x:1,y:0,z:0},orientation:{x:0,y:0,z:0,w:1}}}'
讓機(jī)器人后退一米，回到原來(lái)的位置：
$ rostopic pub /move_base_simple/goal geometry_msgs/PoseStamped '{header: {frame_id:"map"},pose:{position:{x:0,y:0,z:0},orientation:{x:0,y:0,z:0,w:1}}}'
在rviz中的軌跡如圖3：
圖3 TurtleBot運(yùn)動(dòng)軌跡
在機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中，有一條藍(lán)色的線（被黃線擋住了）就是機(jī)器人的全局規(guī)劃的路徑；紅色的箭頭是實(shí)施規(guī)劃的路線，會(huì)不斷更新，有的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)很大的弧線，那是因?yàn)闄C(jī)器人在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中盡量希望保持平穩(wěn)的角度。如果覺(jué)得路徑規(guī)劃的精度不夠，可以修改配置文件中的pdist_scale參數(shù)進(jìn)行修正。然后我們可以認(rèn)為的確定目標(biāo)位置，點(diǎn)擊rviz上方的2D Nav Goal按鍵，然后左鍵選擇目標(biāo)位置，機(jī)器人就開(kāi)始自動(dòng)導(dǎo)航了。
圖4 TurtleBot自主導(dǎo)航
6.ArbotiX仿真——帶有障礙物的路徑規(guī)劃
首先我們讓機(jī)器人走一個(gè)正方形的路線。先通過(guò)上面的命令，讓機(jī)器人回到原始位置（0，0，0），然后按reset按鍵，把所有的箭頭清除，接著運(yùn)行走正方形路徑的代碼：
$ rosrun rbx1_nav move_base_square.py
在rviz中可以看到圖5所示的結(jié)果：
圖5 TurtleBot繞正方形路徑運(yùn)動(dòng)
圖5中四個(gè)頂角的粉色圓盤就是我們?cè)O(shè)定的位置，正方形比較規(guī)則，可見(jiàn)定位還是比較準(zhǔn)確的。TurtleBot繞正方形路徑運(yùn)動(dòng)的代碼如下：
#!/usr/bin/env python
import roslib; roslib.load_manifest('rbx1_nav')
import rospy
import actionlib
from actionlib_msgs.msg import *
from geometry_msgs.msg import Pose, Point, Quaternion, Twist
from move_base_msgs.msg import MovebaseAction, MovebaseGoal
from tf.transformations import quaternion_from_euler
from visualization_msgs.msg import Marker
from math import radians, pi
class MovebaseSquare():
def init (self):
rospy.init_node('nav_test', anonymous=False)
rospy.on_shutdown(self.shutdown)
# 設(shè)定正方形的尺寸，默認(rèn)是一米
square_size = rospy.get_param("~square_size", 1.0) # meters
#創(chuàng)建一個(gè)列表，保存目標(biāo)的角度數(shù)據(jù)
quaternions = list()
#定義四個(gè)頂角處機(jī)器人的方向角度
#將上面的Euler angles轉(zhuǎn)換成Quaternion的格式
for angle in euler_angles:
q_angle = quaternion_from_euler(0, 0, angle, axes='sxyz')
q = Quaternion(*q_angle)
quaternions.append(q)
#創(chuàng)建一個(gè)列表存儲(chǔ)導(dǎo)航點(diǎn)的位置
waypoints = list()
#創(chuàng)建四個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)的位置（角度和坐標(biāo)位置）
waypoints.append(Pose(Point(square_size, 0.0, 0.0), quaternion s[0]))
waypoints.append(Pose(Point(square_size, square_size, 0.0), quaternions[1])) s[2]))
waypoints.append(Pose(Point(0.0, square_size, 0.0), quaternion
waypoints.append(Pose(Point(0.0, 0.0, 0.0), quaternions[3]))
#初始化可視化標(biāo)記
self.init_markers()
#給每個(gè)定點(diǎn)的導(dǎo)航點(diǎn)一個(gè)可視化標(biāo)記
p = Point()
p = waypoint.position
self.markers.points.append(p)
#發(fā)布TWist消息控制機(jī)器人
self.cmd_vel_pub = rospy.Publisher('cmd_vel', Twist)
#訂閱move_base服務(wù)器的消息
self.move_base = actionlib.SimpleActionClient("move_base", Move
baseAction)
rospy.loginfo("Waiting for move_base action server...")
# 等待move_base服務(wù)器建立
self.move_base.wait_for_server(rospy.Duration(60))
rospy.loginfo("Connected to move base server")
rospy.loginfo("Starting navigation test")
#初始化一個(gè)計(jì)數(shù)器，記錄到達(dá)的頂點(diǎn)號(hào)
i = 0
# 主循環(huán),環(huán)繞通過(guò)四個(gè)定點(diǎn)
while i < 4 and not rospy.is_shutdown():
# 發(fā)布標(biāo)記指示四個(gè)目標(biāo)的位置，每個(gè)周期發(fā)布一起 self.marker_pub.publish(self.markers)
#初始化goal為MovebaseGoal類型
goal = MovebaseGoal()
在實(shí)際中，往往需要讓機(jī)器人自動(dòng)躲避障礙物。move_base包的一個(gè)強(qiáng)大的功能就是可以在全局規(guī)劃的過(guò)程中自動(dòng)躲避障礙物，而不影響全局路徑。障礙物可以是靜態(tài)的（比如墻、桌子等），也可以是動(dòng)態(tài)的（比如人走過(guò)）。現(xiàn)在我們嘗試在之前的正方形路徑中加入障礙物。
把之前運(yùn)行fake_move_base_blank_map.launch的終端停止（CtrlC）掉，然后運(yùn)行：
$ roslaunch rbx1_nav fake_move_base_obstacle.launch
運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，在rviz中出現(xiàn)了障礙物：
圖6 Rviz中出現(xiàn)的障礙物
然后再運(yùn)行之前繞正方形運(yùn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)：
$ rosrun rbx1_nav move_base_square.py
這回可以看到，在全局路徑規(guī)劃的時(shí)候，機(jī)器人已經(jīng)將障礙物繞過(guò)去了，如圖7所示：
圖7 TurtleBot避障
圖7中，中間的線是障礙物，周圍紅色的橢圓形是根據(jù)配置文件中的inflation_radius參數(shù)計(jì)算出來(lái)的安全緩沖區(qū)。全局規(guī)劃的路徑基本已經(jīng)是最短路徑了。在仿真的過(guò)程中也可以動(dòng)態(tài)重配置那四個(gè)配置文件，修改仿真參數(shù)。
7.實(shí)物測(cè)試
首先啟動(dòng)turtlebot：
$ roscore
$ roslaunch turtlebot_bringup minimal.launch
運(yùn)行地圖繪制demo：
$ roslaunch turtlebot_navigation maping_demo.launch
打開(kāi)rviz查看地圖：
$ roslaunch turtlebot_rviz_launchers view_navigation.launch
通過(guò)鍵盤控制機(jī)器人移動(dòng)，建立地圖：
$ roslaunch turtlebot_teleop keyboard.launch
建圖過(guò)程如圖8所示：
圖8 TurtleBot建圖
此時(shí)，可以選中2D Pose Estimate，然后用鼠標(biāo)選中一個(gè)位置單擊鼠標(biāo)左鍵，機(jī)器人就會(huì)移動(dòng)至你所指定的位置。
要保存建立的地圖，運(yùn)行：
$ rosrun map_server map_saver –f /tmp.my_map
要加載保存過(guò)的地圖，運(yùn)行：
$roslaunch turtlebot_navigation amcl_demo.launch
map_file:=/tmp/my_map.yaml
接下來(lái)的操作和上面一樣，機(jī)器人會(huì)根據(jù)你指定的位置進(jìn)行自主導(dǎo)航。
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